极地科考未来如何继续“破冰”

本文转自：北京日报

雷淼

今年是中国极地科学考察40周年，第40次南极科学考察队于上月考察归来，目前科研人员正在对这次考察成果进行后续研究。自1984年中国首次南极科考开始，一批批考察队员远赴极地，考察站陆续落成，那么，年复一年的极地科考究竟在做什么？这次建设的南极秦岭站，与之前建成的站点有何不同？极地科考已取得的成果有哪些科学价值？未来，极地科考又将走向何方？

今年4月，执行第40次南极科考任务的“雪龙2”号“回家”。“雪龙2”号是中国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船。

1984年12月，中国第一座南极考察站长城站开建。图为中国考察队设在乔治王岛的临时营地。

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人类为何渴望探索南北两极

极地地区指地球的两极：南极和北极。其中，南极地区以南极洲为中心，邻近太平洋、大西洋、印度洋三大洋；北极地区以北冰洋为中心，邻近亚洲、欧洲、北美洲三大洲。南极洲和北冰洋一陆一海，各据地球一端，曾是与世隔绝的秘境。1820年，有航海家遥遥望见南极洲的冰架，直到1895年，这座第五大洲才迎来人类的足迹。北冰洋虽然被大陆环抱，周围却是密集的浮冰，既无法行走，也难以航行，直到1896年才有人完成首次跨洋航行。

人类对于极地科学探索的渴望，主要有两个原因。一方面，极地远离人类生活环境，保留着生命、地球乃至太阳系早期的秘密；另一方面，极地是地球自然与生态系统的重要组成部分，它们既能反映地球的变化，又能对地球的发展（如气候）产生深远的影响。举个例子，南极冰盖平均厚度逾2000米，最厚的地方近5000米，北极地区的格陵兰岛也积累了最厚达3500米的冰层，目前在南极钻取的最古老冰芯或可追溯到500万年前。极地冰盖由逐年的降雪积压而成，就像时间胶囊一样，封存着以百万年计的大气样本和微生物及植物孢粉样本，具有极高的科研价值。而在参与地球活动这方面，最著名的案例莫过于臭氧层空洞了，在此事件中人类空前团结，迅速达成《蒙特利尔议定书》，弃用臭氧损耗物质，现在南极上空臭氧层正在逐年恢复，树立了环境保护的一个经典成功案例。

极地如同一个天然实验室，科学考察可以从多方向入手，涉及的学科也五花八门，包括气象学、气候学、生物学、环境学、地震学、地质学、矿物学、冰川学、海洋学、医学、天体物理学、宇宙学等。为了方便理解，可以将极地科考的内容分为固态、液态、气态、太空、生物5个方面。

1.固态 极地积累了几千米厚的冰层，是研究地球与生命演化史的有力工具。南极洲1400万平方公里的面积中，冰覆盖率达97%，这些冰蕴藏着世界上70%的淡水，假如全部融化可使全球海洋水位上升60米。所以，为了预测冰盖的未来行为及其对全球气候的影响，冰川学家需对其历史、现状和内部动态有透彻的了解。南极洲曾经气候温和，是巨大的冈瓦纳古陆的一部分，它的演化历史和未来走向都隐藏在冰层之下的地壳岩石中，是地质学所要揭示的内容。

2.液态 南极洲被海洋包围，南极绕极流是世界上最强大的洋流；北冰洋本身就是海洋，它和大西洋的边界是北大西洋暖流，能够左右整个欧洲的气候。陆地冰川和海洋的互动会对全球气候造成长期影响，极地洋流在全球碳循环中也扮演着重要角色，所以，在极地开展海洋学研究的意义不言而喻。

3.气态 极地气候能对温带乃至亚热带造成广泛影响。最近几年，“极地涡旋”这个词逐渐为人熟知，它稍微“擅离岗位”，就会带来超乎寻常的严冬。而全球变暖又反过来会造成更多的极地涡旋“离岗”事件，气象和气候学家对此都很关注。极地涡旋干过的一件大事就跟前面提到的臭氧层空洞有关。由于南极的极地涡旋较为显著稳定，人类使用的喷雾剂和制冷剂中的氯原子被集中在南极极地涡旋中，进入平流层的冰云，并在春季到来时大量释放，促成臭氧分解，从而恶化了地球的空间环境。因此，对臭氧层的观测也是极地科考的重要内容之一。

4.太空 极地远离人类城市的光污染，尤其是南极洲这座冰雪高原严寒干燥，空气稀薄且质量优异，是天文观测和宇宙学研究的绝佳场所。除了工作在可见光到射电波段的几座大型望远镜之外，南极还有一座利用天然巨冰建造的中微子观测站。南极洲还是地球上著名的陨石宝库，降落在南极大陆的陨石被冰雪包裹，并在冰川流动受阻时渐渐转移到表面，这些陨石数量大、类型多、储存久、氧化弱、污染少，对于认识地球乃至太阳系的演化过程极具价值，而且还“物美价廉”，比起去月球、火星或小行星采集样本要实惠多了。此外，作为地球磁极的目前所在地，极地是研究地球物理、大气电离层和太阳活动的理想位置。

5.生物 南极表面条件非常恶劣，但其周围的海洋生态系统资源丰富，其中南极磷虾是地球上最大的单种动物资源，也是接近食物链最底部的极关键物种。北极相对较宜居，无论是周围陆地还是海洋，都有多种多样的生物形式。极地生态情况能够反映全球的环境变化，与人类息息相关。同时，极地还是生物的基因库，低温微生物资源具有独特的分子生物学机制，在基础研究及生物工程上有很大价值。

总而言之，极地科考是跨学科的综合项目，可以全方位推动各项研究向前迈进，意义深远，也是一个国家综合国力的直接体现。

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两极科考有哪些不同之处

南极是被大洋包围的大陆，北极是被大陆包围的大洋，二者既有相似性也有不同点。它们的相似之处是气候寒冷，大陆或周围大陆具有永久冰盖，毗邻重要的洋流，都能影响地球气候，且均为地磁极所在地。所以，两极的科考站都会开展对极光和空间天气、生态、地质、海洋、冰川、地球物理、大气科学、气候变化与环境科学等方面的研究。特别是在极光研究上，南北极科考站还能“打配合”，例如，中国的南极中山站和北极黄河站都在磁纬75°左右，基本处于地球同一根磁力线的南北两端，因此能在南北两极对极光进行对称性和关联性研究。

两极的不同之处也不少，所以科考项目各有侧重。实际上，即便是同处一极的科考站，也会因选址不同而在研究任务上有所差异。如位于内陆冰原上的科考站无法做海洋研究，而海边天气瞬息万变，则不利于天文观测。

因此，南北极科考最大的区别就是由海陆差异造成的，不仅体现在自然上，也与人类社会有关。

北极的主体是北冰洋，周围陆地和岛屿都有主权归属。如果只在船上或漂流冰站上做海洋考察的话，就无法完整认识极地气候和环境变化，然而，建设陆上考察站或开展具体的陆上科考项目（如钻取格陵兰冰盖的冰芯），首先需要付出外交努力。相对而言，南极建站是个纯技术活儿，有能力就可以干。只不过，登陆南极洲需要穿越狂浪，击破坚冰，躲避冰山，挺过暴风，技术难度实在是高得多。

南极是陨石的天然保险箱，能把陨石“主动”翻到冰面上供人拾取，北极却是一片海洋，没有这方面的天然优势。另外，南极面朝银河系中心，亮星如织，还能看到两个较近的伴星系——大麦哲伦云和小麦哲伦云，其中包含各个发展阶段的星团，研究星系演化非常方便。而北极面向银河系外围，受银河星系盘物质遮挡较少，更适合做宇宙演化方面的超深空研究。

陆冰和海冰对海平面的影响也不同。海冰原本占据了多少海水体积，完全融化后就会变成多少水，对海平面影响不大。但陆上冰川滑进海洋，就是另外一回事了，会导致海平面上升。因此，南极洲和格陵兰岛的冰川动态更受重视，而北极海冰次之，尽管它也是重要的环境指征。北冰洋是个相对封闭的海域且有诸多河流注入，人类活动产生的污染物易在此汇集，同时它易吸收二氧化碳，酸化速率远高于其他大洋，所以环境监测也是北极科考的一个侧重点。

最后介绍一个听起来不太“科学”，由科考船来做却最合适的工作，就是开发北极商用航道，并提供海冰和气象预报服务。由于显而易见的地理差异，南极科考没有与之相应的内容。

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新建秦岭站填补极地考察多项空白

考察站，是极地科考的重要基础。世界上第一个极地考察站是阿根廷1904年在南极建设的奥尔卡达斯站，从此许多国家都以这种方式开展极地考察。截至目前，我国在南极和北极共建有7座考察站，其中，南极有5座，分别是长城站、中山站、昆仑站、泰山站，以及今年4月刚刚建成的秦岭站；北极有2座考察站，即黄河站、中国和冰岛合建的中-冰北极科学考察站。

每一座考察站都有自己的科研重点和特色。1984年开建的长城站是中国第一座南极考察站。建站的时候，除了科学意义本身，还要为中国在南极科考上争得国际话语权。受当时的条件所限，长城站没有进入南极圈（没有极昼极夜现象），没有上南极大陆（位于乔治王岛），所以研究重点在生物、环境、气象、海冰、地质、地磁、地震和卫星测绘等方面。

建于1989年的中山站是中国第二座南极考察站，它进入了南极圈并上了南极大陆，倚陆临海，设施完备，是南极内陆考察的交通枢纽。其考察项目主要涉及气象、电离层、高层大气物理、冰雪、海洋、地质、地球化学和环境监测等。

北极第一座中国考察站是2004年建成的黄河站，也是我国第三座极地考察站。它拥有全球极地科考中规模最大的空间物理观测点，给中国在北极地区创造了一个永久性的科研平台，为解开空间物理、空间环境探测等众多学科的谜团提供了极其有利的条件。今年4月29日，首批3名中国科考队员已进驻位于挪威斯瓦尔巴群岛的黄河站，开启2024年度中国北极站基科学考察工作。接下来的一年内，中国科考队员将以黄河站为据点执行多项科学考察活动。

到了2009年开站的昆仑站，中国更是动了真格。昆仑站位于内陆冰盖最高点冰穹A地区，海拔4087米，在各国科考站里海拔最高。由于自然条件极其恶劣，昆仑站是夏季站（观测设备在冬季自动运行），重点研究天文、冰川、地球物理和大气科学。昆仑站拥有南极洲最大的光学望远镜，还有一部近红外望远镜、深冰芯场地和固定翼飞机起降跑道。

2014年落成的泰山站位于中山站和昆仑站中间的内陆冰盖断面，也是一座夏季站。这里主攻冰川、气象和空间物理，另外它离格罗夫山“陨石宝库”只有85公里，在采集陨石方面具有得天独厚的优势。

2018年，中国和冰岛合建的中-冰北极科学考察站投入使用。这座联合考察站选址在地球夜侧极光带之下，是监测地球磁层爆发性活动的理想场所。除了极光与空间天气之外，这座科考站还能支持大气科学与气象、生物学与生态学、海洋学、冰川学、地球物理学与地质学、气候变化与环境科学、卫星遥感等多项学科的观测研究。

今年新建成的秦岭站则填补了中国在西南极关键区域没有科考站的空白，该站所处的罗斯海岸区域被认为保存着地球罕见的完整海洋生态系统。秦岭站面对太平洋扇区，附近有多座火山，是岩石圈、冰冻圈、生物圈、大气圈等典型自然地理单元集中的区域，科研价值很高。国家海洋局极地考察办公室主任沈君此前介绍，未来依托秦岭站开展的海洋生态、海冰、地球物理、陆地生态、鸟类等调查和观测，将为评估南极生态环境和气候变化提供基础支撑。

创立自主的极地考察研究科学体系

今年是中国极地考察40周年，截至目前，中国极地科考在综合研究、平台建设与国际合作等方面取得了丰硕成果，下面挑选一二为大家介绍。

第32次南极科考队实地探明，在南极洲东部伊丽莎白公主地区域的冰盖底部，有一条长逾1000公里、深达1500米以上的完整大峡谷，是地球表面最大的峡谷。南极冰盖底部最大的融水流域在伊丽莎白公主地孕育而成，冰盖底部藏有众多湖泊和水道，深部冰层呈现大范围暖冰现象，表明冰下基岩地热通量显著异常。这些发现对深刻理解冰盖稳定性及其对全球海平面的影响、揭示冰下地质构造和热状态及其演化、寻找南大洋超冷水和底层水生成源区域等有重要意义。

截至2016年，经过7次格罗夫山考察，中国成功采集陨石12665枚，为开展小行星的成分和演化研究以及深空探测提供了充足的研究样品。其中一块1300克的大陨石，经科学检测来自灶神星，十分罕见珍贵。

2017年8月，美国与欧洲的引力波观测台探测到一起双中子星并合事件。昆仑站的南极巡天望远镜对引力波源展开了光学观测，探测到此次引力波事件的光学信号，并获得了大量重要数据。

截至2021年，昆仑站在冰穹A区的深冰芯钻探总深度已达803.54米。2024年，吉林大学科研人员利用自主研发的极地深冰下基岩无钻杆取芯钻探装备，在东南极拉斯曼丘陵地区穿透545米冰盖，成功获取连续冰芯及近半米的冰下基岩，是目前为止东南极成功取得岩心最深的冰下基岩钻探项目。它将为南极冰川运动、冰下地质环境、冰下地质构造及地质活动的研究提供重要依据。

由于高昂的开采成本和南极条约的规定，南极矿产资源几乎原封未动。但世界资源日趋紧张，而现行的南极条约将于2048年到期，所以探明南极资源具有重要战略价值。中国极地科考研究了南北极地质背景，绘制了南极内部陆地第一张地形图，在一定程度上掌握了南北极拥有的能源和资源信息。

为促成北极航道的实质运用，雪龙号试航了东北、西北和中央航道，获取了现场天气、海冰和海洋的第一手资料。在雪龙号试航东北航道后，中远海运的商船实现了东北航道首航。

除了科研水平之外，极地科考还体现了一个国家的基建能力和国际影响力。回望长城站的时代，中国还在努力争取南极事务上的话语权。中山站建站之初，只有几个集装箱式的空房子。到了昆仑站，运输和建设已经完全现代化。建设泰山站时，首次实现了无人值守能源供应。而在刚刚完成的第40次南极科学考察中，除了建设秦岭站，中国科考队还与挪威、澳大利亚等多国合作实施南极冰盖边缘航空调查任务，并与美国、英国、智利等国考察队开展后勤保障合作，对推动后续国际合作计划的实施，起到了很好的引领示范作用。

极地科学考察是人类探索自然奥秘、探求新发展空间的重要事业。40年来，中国基本创立了独立自主的极地考察研究科学体系，考察站、极地考察船、内陆考察车队、航空保障等极地考察支撑体系也得到了进一步强化。如今，以秦岭站为支点，一系列科学考察又将渐次展开。而一代又一代中国科考队员的奔赴，终是为了更好地认识极地、保护极地和利用极地。（作者为中国科普作家协会会员）

本版供图：视觉中国