格陵兰岛的冰川融化，是一个老生常谈的话题，看到这样的新闻，总觉得是似曾相识。然而，之所以这个话题每年还能成为新闻，就是因为它与全球碳排放一样，每年的统计结果都刷新了历史记录。从这个角度来讲，一个经久不衰的“老”新闻更值得我们注意。这不，11月19日发表在PNAS上的一则报道又在说这个事。

 

研究者根据2002年至2011年间对格陵兰岛的重力测量卫星的数据发现，大部分冰川融化发生在格陵兰的东南和西北近海，不过中部山区有高于平均值的降雪量，冰川在增厚，但不能弥补大量的融水，融化的冰川每年可达2000亿吨。冰川融化的速率正以每年90亿吨的量增加，每年的记录都在刷新。如果冰川继续以这样的速率融化，那13000年后格陵兰岛上的冰将全部消失。在全球海平面的上升中，格陵兰岛的冰川融化贡献了约20%，即大约每年3.1 mm。如果冰川继续按目前的速率融化的话，那整个格陵兰岛到本世纪末将导致6 cm的海面上升。

 

 

图1 从2003年到2010年格陵兰冰量的年际变化图（图片来源：PNAS，见参考资料[5]）

 

卫星利用地表反射的电磁波能量，监测冰川的变化，这不是什么新鲜事儿。40年前，人们就开始利用卫星技术观测北极的冰川变化。但是，这样的卫星无法观测冰川的厚度变化，导致对冰量的估算存在巨大误差。自开展利用卫星进行重力测量以来，人们开始联想到可利用观测地球重力场的变化来监测冰川的变化。

 

重力，看不见，摸不着，但却无处不在。艾萨克·牛顿肯定不是第一个感受重力的人，但他让我们从本质上理解了重力是什么。有物理常识的人，都不难理解，地球表面的不同地区，其重力是有差别的。地球不是标准的圆，有地形的起伏，随着山脉、谷地、平原、海沟的显著变化，地球表面的密度也会随着地形变化，导致重力场的轻微变化。例如，山脉地区的重力会比平地要大，海沟或千万年前冰河所造成的洼地会导致重力场变小。任何时候地表的现状，都是重力长期均衡的结果，因此在相对较短的时间，地球表面重力场是较为固定的，可称为平均重力场。而局部的质量变化也可在较小时间的尺度内发生，比如当水在大气、海洋、陆地、冰河、两极冰帽之间循环时，各地含水量会发生变化，这些短期的质量变动称为时变重力场（time-variable gravity field）的变化。比较长期平均重力场与时变重力场随时间的变化图，就是很有用的工具。平均重力场有助于了解固体地球的结构以及洋流，而时变重力场则可用来研究地下水的变化，海冰、冰川的变化，海平面升降，深层洋流、洋底压力以及海洋热通量的变化。

 

欲善其功，必先利其器。自牛顿揭示重力以来，人们都在不断监测重力，不过受到人类在地面活动范围的限制，全球的重力场测量还只是一个梦想。但是，进入21世纪以来，随着卫星技术日新月异的发展，在太空通过卫星来测量地球重力场成为现实。首先出台是德国波兹坦地学研究中心(GFZ)独立研制的CHAMP（Challenging Minisatellite Payload），是首颗专用重力测量卫星。它通过GPS接收器计算自己的位置，并通过安装在卫星质心处的仪器实时测量重力加速度。距离地球越远，地球重力场衰减得越迅速，导致测量精度大大折扣。2002年，由美国航空航天局（NASA）和德国航天局（DLR）合作研制的GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）双星发射升空，则很好地解决了这个问题。GRACE的两颗卫星在同一个轨道平面上，彼此距离约220±50km。当这一对卫星在绕行地球时，地球上重力场较强的地区会先影响到前一颗卫星，把它拉得离后面的卫星远一点。然后当后面那颗卫星经过这重力异常的地区时，又会被拉向前一颗卫星一些。这些距离变化的改变是我们肉眼所无法察觉的，但GRACE上的微波测距系统可以精确的测量出两颗卫星之间距离的细微变化。在卫星的中央处有装置一个高精确度的加度测量器，它可以测得因非重力所引起的加速度变化，所以只有由重力所造成的加速度才会被考虑进来。卫星全球定位系统(GPS)可以测得卫星所在的确实位置，误差在1cm之内。GRACE每30天完整扫描全球一次，就能由单一来源提供全球的重力场分布。GRACE的测量至少比以往的重力测量精确100倍以上。

 

由此可见，以GRACE为代表的重力测量卫星，本身就是卫星监测领域的一次巨大创新：它不是测量地表反射的电磁波能量，而是根据自身的运行状况来进行测量，甚至GRACE两颗卫星彼此之间的距离变化也作为重力场测量的重要参数。当年，Nature周刊还特意撰文，对这对卫星进行了科普性的介绍。

 

 

 图2 GRACE卫星测量地球重力场的变化。这幅图没有依照实际比例绘制。(图片来源：NASA earth observatory)

 

关于这则新闻的一些数据分析，全球的许多网友还对此发表了一些评论。比如，关于格陵兰岛的冰川多长时间会融化完，有人认为：“说13000年冰川才能融化完，那是只考虑通过融化损失这一种方式，在融化中冰川滑落能迅速增加这种速度”。又有人认为：“13000年是假定冰川融化的速度不变。然而这篇文章声称其速度每年增长4.5%，假设在未来100年以一个常数增加，那么100年后其融化速度将是目前的5.5倍。如果以百年后的那个速度计算，整个格陵兰冰帽将会在2000年内消失，海平面将会随之上升。如果我们假设以持续的增长比例上升，那么每年4.5%增长速度会导致最后的速度增加81倍，这样格陵兰冰冠将在160年内消失。”还有一位网友说，“问题是，可预期的非线性增量是多少？作为这方面的专家应该知道，随着夏天融化和海表水变暖，浮冰在一般被推到格陵兰岛北部的海岸，格陵兰岛融化速度会大幅度增加。这篇文章只是指出了显而易见的事实，他们甚至没有理解他们自己数据所导致的最明显后果。”

 

但有人不同意这种说法，“反照率反馈会受到最大融化状态和地球曲率的限制，所以部分反馈机制无法保证始终以指数方式增长。但是，我认为要达到这个最大值，需要相当长的时间，这要看海冰是否完全融化完。我再次怀疑在最近的十月底，是否融化季结束后马上降雪就开始了。增温的确可加速这个过程，但不是永远。”

参考资料
[1] 重力反演与气候实验（http://163.20.87.3/newweb/earthweb/epaper/96/fab_1/GRACE/GRACE.htm）
[2] GRACE卫星（http://baike.baidu.com/view/6016787.htm）
[3] 郑伟等，2010。国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划（http://wenku.baidu.com/view/b9ca989851e79b89680226b8.html）
[4] 格陵兰岛冰川加速融化：将致海平面上升（http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/11/271946.shtm）
[5] Christopher Harig and Frederik J. Simons. Mapping Greenland's mass loss in space and time. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1206785109
[6] Princeton geoscientists report Greenland ice sheet melting rate is increasing (http://phys.org/news/2012-11-princeton-geoscientists-greenland-ice-sheet.html)

[7] Gravity Meansurement: Amazing grace (http://www.csr.utexas.edu/grace/publications/press/02-03-07-GRACE-Nature.pdf)
[8] Amazing GRACE can measure world's ice loss (http://www.japantimes.co.jp/text/eo20120222mr.html)

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