新闻

RBR 英国南极调查局(BAS)龙尼-菲尔希纳冰架水文勘测

Keith Nicholls和Phil Stevens在南极洲龙尼-菲尔希纳冰架布放记录海水盐度的RBRduo CT测量仪。


1914年,著名的英国探险家Sir Ernest Shackleton在动员船员们开启首次贯穿南极洲的探险时,写道:低回报、极度严寒、无休止的黑夜、危机四伏、穷途末路。一百年过去了,这些都没有改变,但有些事情发生了变化。尽管南极洲极度寒冷、黑夜漫漫,她依然令全世界很多科研人员着迷。南极洲正开拓着人类的极限和技术的前沿。随着南极洲成为全球气候变化课题的焦点,发生改变的一件事情是人们对探索、理解冰架之下海水变化机理的兴趣与日俱增.

海洋学者、钻探工程师Keith Makinson是英国南极调查局(BAS)、挪威卑尔根大学的七人工作组中的一员。他们于2014年在龙尼-菲尔希纳冰架钻透了0.75km的冰层,从而成功地布放了用于长期监测的剖面测量系统。

Makinson说:就体积而言,龙尼-菲尔希纳冰架是南极最大的冰架。它的面积达450,000km2,就像海面上飘着一个“法国”一样。对科学界而言,龙尼-菲尔希纳冰架无疑是南极环境、世界海洋是否“健康”的风向标。


龙尼-菲尔希纳冰架


从冰架边缘到南部大陆边缘,冰层的厚度从300m上升到2000m。Makinson说:“冰层下面流动的是融化的冰冷的淡水,潮汐的能量导致冰架每秒融化4000吨,这些高密度的冷水团从南极大陆架流过,注入威德尔海的深水中,最终成为南极的底层海水。这些水团在世界海洋中非常常见。”在其他大洋的深层都发现了这种水团,甚至能够达到赤道北部。


为了监测这种水团在冰架下的运动,Makinson团队勘察了1998-9年钻出的5号井。“因为许多融化的水团在这里汇聚,所以5号井取得了广泛的关注。在这里建一个监测站可以分析不同水团随季节更替的变化。”
南极观测不是一项简单的任务。“过去几年里,很多事情像是例行公事,但我们从规划到最终布放设备进行勘探的过程中,做出了太多的努力。”
一般而言,一个团队在布放设备前至少规划两年,将打钻设备、燃料运输到南极又要花去一年。勘探小组从罗瑟拉站飞往5号井(约1500km)、运输打钻设备和燃料又消耗掉大量的燃料。但这只是远距离、酷寒探险所考虑的一个方面。
设备故障、水管结冰是另外一个问题。因为钻孔中的水每小时结冰0.5-2cm,所以需要快速打通通向海水的钻孔。Makinson说“我们常常担心钻孔设备同钻孔侧壁冻在一起,这样钻孔设备和所钻的孔都无法使用了。”


Kelth Nicholls正在将温度链固定到锚系主缆


热水钻孔

为了能够在冰层上打孔,BAS特别设计了一种热水钻来融化冰层。这个钻机每分钟可从加热器中抽水110升,加热器可以将水加热到88°C沸腾状态。钻机将热水泵入软管,再经喷嘴留出,从而凿出直径30cm的钻孔。为了实现水循环,他们在冰层下85m凿了一个洞,便实现了工作水的回收利用。
在5号井,冰层厚度达770m——比多伦多的西恩塔(553m)还高。迪拜塔(828m)是世界上最高的独立式人工建筑,该处冰层仅比迪拜塔稍低一点。以每分钟1.2-1.6m的打钻速度,打穿冰层需要约10个小时。
钻机使用一种特殊的、直径达1m的钻刷来扩大冰架底部的钻孔,以防钻孔壁黏住设备。Makinson说:“我们不得不早上8点开始钻孔,这样希望能够在晚上8点左右将冰架钻穿。然后整夜进行CTD剖面、打岩心、采集水样等工作。”
“当你布放锚系系统,并且得到其发回的信号说:系统正在工作,正在回传数据。这一刻,是多么地令人兴奋。”

 “在此之前,其实你已经实现了数据的采集。当收集到第一组CTD数据,看到第一组剖面数据,你便意识到你已经成功了。一天的忙碌没有白费,没有人能够阻止你得到海洋测量的数据。即使因为某些原因导致设备无法回收,你也会为得到了数据而欣喜若狂。” 


水下部分

早上,BAS将海洋测量设备部分入水,从而采集海洋的温度、盐度、深度、流速、流向、溶解氧等参数。在三口井中的5b号井,他们布放了定做的RBR温度链。
 一位RBR的工程师说:“这是我们生产的最长的一条温度链,总长达到400m”。温度链有24个温度探针节点,每一个校准后的精确度可达±0.005°C。Makinson说:“借助这套特制的温度链,你便能够对多个水层同时进行精密地测量,这样很容易得知测量点是哪种水团。
 在5a和5c号井,BAS团队布放的设备可以让科研人员更好地了解冰架下水团的流动路径,以及冰架融化的速度。为了观测水团在不同深度的运动速度,布放了Nortek的阔龙进行测量。
本次布放了几种测量设备来观测冰层下水团的盐度,一种是通过电导、温度、有时加上深度来导出盐度。其中使用了四台RBR高精度的RBRduo CT、一台RBRconcerto CTD。锚链上安装的每台仪器都连接着一台RBR水下感应耦合通讯猫SSM,这样实现了仪器数据从水下传回到水面。
在常规的MLM系统布放时,水面猫HEM集成在浮标上,实现同水下仪器的数据传输。浮标由包塑钢缆锚定,并安装有测量仪器。发生在各个节点的SSM同包塑钢缆之间的电磁耦合将信号通过钢缆传输到HEM。为了完成钢缆上的电路回路,包塑钢缆两端需要剥开浸于海水中。
 但是在南极进行监测时,情况就变得不同寻常。因为钢缆周围会结冰,MLM系统需要改变原来包塑钢缆电路回路通过水环境的设计。RBR工程师也需要确认HEM能否承受南极洲地面寒冷的气温。
“该系统工作的环境温度是多少?”,RBR工程师问到,回复是“在保护箱中将会达到-40°C”。


十年的测量

当钢缆周围结冰后,5号井布放的仪器将永远无法收回。对于工程师而言,又出现了一个不同寻常的挑战:如何最大化无法收回仪器的价值。BAS的目标是搭建一个可以运行十年之久的工作站。
“根据以往的经验看,只要电池电量充足,系统就会持续正常工作。构成锂电池的特殊化学物质可以长时间稳定地放电。并且仪器工作消耗极小,这样仪器工作的寿命几乎同电池的寿命相当,”Makinson说道。
到目前为止,传回的数据非常稳定。Makinson希望5号井布放的系统能够成为在龙尼-菲尔希纳冰架下投入使用的监测网络中的一环,这样研究人员可以对冰架下海水循环机理有更广阔的认知。
  由5号井向东,目前BAS有一项由英国自然环境研究委员会(NERC)资助的项目。该项目研究流入龙尼-菲尔希纳冰架的冰流。本季度,BAS也正在同德国阿尔弗雷德韦格纳极地与海洋研究所合作,并在冰架南侧成功钻取了另外4口井。下个季度,他们计划同德国、挪威的研究团队在冰架北部继续钻井。之后布放系统无需花费十年时间,但希望这些系统能够提供更多冰架下水体流动的信息。



现场布放前测试照


该项目由英国自然环境研究委员会(NERC)和卑尔根大学联合资助

RBR公司生产的海洋仪器广泛地应用于海洋领域中,测量深度从马里亚纳海沟到两极的冰盖顶端。RBR仪器集成的传感器可以测量多个水质参数,包括温度、深度、盐度、溶解气浓度、pH等等。公司研发、生产中心位于加拿大渥太华,整个团队能够为全球的用户提供快速、积极的服务


南极:图中橙色圆圈标注的就是5号井位置,未来几口井预计在菲尔希纳冰架东南部和北部钻取。