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南极冰事(26)高极、冷极和干极 精选

已有 7514 次阅读 2023-9-28 20:29 |系统分类:科研笔记

南极冰事(26)高极、冷极和干极

张武昌2023928日星期四 中秋节前夜

到目前为止,我们已经讲到南磁极点、南极点、南地磁极点、不可接近之极都建了考察站,今天花好月圆,讲讲高极、冷极和干极。

高极

 

高极点即南极冰盖上最高的位置和区域内最高的位置。

 对于南极冰盖的最高点应该有多高,早在1909年,科学家就根据科学原理进行了估计。德国气象学家、地理学家Wilhelm Meinardus 根据(南极洲之外)世界气压估计了南极洲的平均高度。他发现不考虑南极洲在内,其他各地的平均气压,1月和7月的气压有一个小小的差异。而全球的平均气压在各个季节应该是相等的。根据这个道理,加上复杂的计算(我也看不懂,估计你也看不懂),估计南极平均高度为2464米,根据冰盖的蘑菇形状,最高点应为4000米。

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Wilhelm Meinardus 

当凌绝顶、一览众小是人类自古就有的天性。在登上南极大陆之后,登临南极大陆最高点是探险家和科学家的一大愿望。最初不知道南极的最高点在哪里,但是可以大致估算。

 

南极冰盖是降雪累积造成的,假设千万年的累积使得现在的冰盖处于平衡状态,那么冰盖各个部分的高度符合沙堆原理,即

1,  相同形状的累积面,面积大的累积面达到的累积高度最大;

2,  累积面积相同时,圆形的累积面达到的高度最大;

3,  在圆形累积面的基础上进行变形,形成椭圆形直至长条形,如果长轴的增加速度大于短轴的减少(总体累积面面积增加),则沙堆累积高度增加,继续形变成长条形,则累积高度减少。

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根据南极冰盖的平面形状,科学家将冰盖分为三部分:东南极、西南极和南极半岛。东南极面积最大、形状椭圆形,西南极面积较小、接近圆形。南极半岛面积最小、形状细长。

根据沙堆原理第一条和第二条,可以估计南极冰盖的最高点应该位于东南极。

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在东南极,确定冰盖的最高点要使用沙堆原理第二条和第三条。

根据第二条,我们可以大致估计最高点位于最大内嵌圆的圆心,也就是不可接近之极pole of inaccessibility的位置(下图中圆点)。

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在当时的条件下,对南极大陆的形状了解得不精细,所以无法根据第三条确定精细的位置。苏联当初在不可接近之极建站,有可能是预判南极的高极就在这里(https://blog.sciencenet.cn/blog-39359-1392566.html),因为不可接近之极其实没有任何地理意义。

 

南极点站和东方站及南极大陆周边建立科学考察站之后,其最基础、最重要的科考活动就是地理测绘,也就是搞清楚冰原的地形,最有吸引力的终极问题之一就是寻找最高点。

 

对于南极冰盖高度的测绘需要新技术,这一技术终于在1967年发展成熟。科学家在飞机上安装一个名叫Long-range airborne radio echo sounding (RES)的雷达,机载长距无线电回波探测雷达。

飞机沿着恒定的气压高度飞行,雷达回波显示冰面的高度,多断面扫描后制作等高线,寻找最高点。

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机翼尖端下部挂载的雷达

 1967年在南极冰盖的雷达探测开始了,1971年,飞机上的雷达一次飞行可以获得冰面高度、冰的厚度和冰下基岩的起伏。

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a是雷达剖面图,b是根据雷达剖面图得到的冰面高度ice surface和基岩

经过多年的观测,科学家发现了三个高点---冰穹Dome,这些枯燥无趣的科学家为它们起名为A、B、C。最高点Dome A 的高度为4100米,后来的计算得出平均高度2204米。

 上述数值与Wilhelm Meinardus估计的南极平均高度2464米,最高点应为4000米的数值十分接近。Wilhelm Meinardus一战封神,真是秀才不出门,便知天下事,看看有谁还敢小瞧科学家。

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Dome A位置和高度的确定过程,蓝线是飞机的飞行路径,红线是等高线。

 

现在根据精确卫星资料计算得出的不可接近之极的坐标为南纬82 5314,东经55°430(不算冰架)或83 5037, 654330(考虑冰架),距离1958年末苏联到达的不可接近之极约700千米。

在从Sovetskaya站前往不可接近之极的线路从Dome A的北侧穿过,离Dome A最近的距离为80 千米。

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为了看上去像个名字而不是编号,Dome A Dome C常被称为Dome ArgusDome Concordia (或Charlie),没有Dome DDome EDome F又名Dome Fuji。其他的Dome还有Dome Talos, Dome Taylor, Dome Titan (从南极点沿180度经线向北200千米处)。

 Dome A F之间是冰脊ARidge A),Dome AB之间是冰脊B,有人将Ridge BDome B等同混用。

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冰盖形势图

 

得益于现在卫星技术的发展,我们已经对南极冰盖的地形有了很好的了解,这些Dome,位于东南极的南极高原Antarctic Plateau之上。

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南极高原等高线地图,所有Dome的形势都很清晰

冷极

常言道,高处不胜寒,随着海拔高度增加,气温(地上两米)会越来越低,所以南极冰穹是地球上地面气温最低的地方。多年来,科学家一直在寻找这一温度的数值。1983721日,在东方站录得零下89.28度的低温,这是有史以来现场测温得到的最低记录。

现在,科学家利用测温卫星寻找南极高原的最低温度,这种方法的优点是覆盖整个高原,而有气象站(含自动气象站)的位置数目极为有限,并且有的自动气象站在低温下不工作,不能得到最低气温。

2003-2013年间,Aqua 卫星来探测温度,陆地卫星计划(Landsat)的第八颗卫星(Landsat 8)于2013211号发射成功,其搭载的陆地成像仪(Operational Land Imager OLI)和热红外传感器(Thermal Infrared SensorTIRS)可以遥感地形和温度。

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2004-2016年间,卫星遥感得出在100处地点发现了低于零下98度(雪上2米处为零下94度左右)的低温。

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另一个衡量最低温度的指标是周年平均温度,在南极高原上的周年平均温度最低可达零下五十度。

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干极

因为非常寒冷,南极高原上的水汽直接冻成冰降落下来,空气非常干燥,成为所谓干极。终年只下一场雪,一下就是一年,而且是天空晴朗,雪从天降。

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南极年降水量(单位毫米)

南极的降水主要发生在南极大陆边缘,南极高原上的降水量只有几十毫米(几厘米)。从不可接近之极的房屋被雪埋住的速度粗略估算,房屋高度3000毫米(3米)被埋,发生时间2020-1960=60年,3000/60=50毫米。

温度对大气的容水量影响很大,温度降低1度,可容纳的水汽减少7%

某一时刻,假设大气中所含的水汽都变成降水,此时的降水量被称为可降水水汽PWV(Precipitable water vapor)南极大气中水汽含量是全球最低的之一。

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周年平均,南极大陆的PWV0-10毫米,而南极高原的数值最低,几乎为零。

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NOAA-18卫星得出的2008-2010年冬季DOME A Ridge APWV为不到0.2 毫米。干极位于DOME A Ridge A的南面。

南极高原的空气从高空向下降落,干极也被称为下降风的源头。


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图中线条等值线为高度(单位米),色彩等值线为PWV(色标在右侧,最白处为干极)

由于大气中水汽对电磁波有很强的吸收,所以干燥的地方有利于Terahertz (频率太赫,兆兆赫)电磁望远镜的天文观测。

2012年1月,科学家在此处安装了HEAT望远镜(High Elevation Antarctica Terahertz telescope)

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看看上图中这清澈的天空,不禁想到,南极的月亮也格外的圆吧。



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