这个像蛋一样的设备可能蕴藏着未来海平面上升的秘密

2019 年 7 月一个下雨天，Michael Prior-Jones 在格陵兰冰川上滑行了八个小时。为了帮助同事测试冰层表面以下的条件，他用一根超过 3000 英尺的钢丝绳玩了一个复杂的“猫捉老鼠”游戏。他来回踱步，将钢丝绳放在冰面上，以消除缠绕并固定传感器，这些传感器有助于指示冰川融化并流向开阔水域的速度。最后，他感到寒冷又湿透，但钢丝绳没有缠绕，已准备好下降到冰川中。现在，真正的任务可以开始了。

几十年来，像 Prior-Jones 这样的研究人员一直将仪器固定在电缆上，将它们放入裂缝和钻孔中，并分析通过电缆传回的数据。通过揭示冰川深处的秘密，科学家们旨在了解融水在从冰川表面流向冰床，然后流向海洋的过程中形成的通道。

如果融水能够到达冰川底部，它就会形成润滑层，使冰块向海洋滑动。一旦到达开阔水域，冰川就会融化变薄——随着气候变暖，这可能会加速海平面上升。例如，格陵兰冰盖周围环绕着冰川，如果冰盖完全融化，全球海平面将上升约 23 英尺。

冰川学家的工作至关重要，因为这些内部融水通道与冰川（如格陵兰冰盖流出的冰川）的命运之间的关系仍然知之甚少——这是预测全球海洋如何变化的关键谜团。测量融水的压力、温度和电导率等特征，可以揭示冰川消失并导致全球海平面上升的速度。

但收集这些关键测量值并非易事：在电缆上绷紧传感器是实现这一目标的常用方法，但电缆可能很麻烦。它们可能会缠绕，最终在钻孔内伸展、结冰和断裂。这是因为，正如 Prior-Jones 所解释的，冰川就像一栋老房子，里面嘈杂的管道敲打着墙壁——如果这些管道一直在变化。随着融水供应的波动，新的裂缝和空腔不断出现和消失。

在格陵兰的“猫捉老鼠”那一天之前，Prior-Jones 深知传统数据收集方法带来的挫败感。因此，他在格陵兰的经历更加坚定了他的职业使命：不惜一切代价避免使用电缆。

因此，他与卡迪夫大学的同事 Liz Bagshaw 合作，开发了一种无线冰下探测器——利用一些国家用于报告燃气和水用量的公用事业仪表相同的无线电技术。尽管它被昵称为 Cryoegg，但该仪器的尺寸、形状和重量更像是葡萄柚。研究人员将其放入裂缝或钻孔中，然后让它在输送润滑融水至冰床并最终流入大海的冰川“管道”中自行移动。在其旅途中，新改进的模型将最终一年向地表的接收器传输每小时的压力、温度和电导率测量数据。最重要的是，它没有任何束缚。

孕育一个计划

这个自由漫游的“蛋”是布里斯托大学的冰川生物地球化学家 Jemma Wadham 和航空航天工程师 Stephen Burrow 的想法，Bagshaw 在那里完成了她的博士后研究。在与 Wadham 和 Burrow 合作期间，Bagshaw 使用“漂流”传感器研究冰川排水，这些传感器可以在没有电缆的情况下漂流。不幸的是，它们没有配备像 Cryoegg 这样的无线传输系统。有时，传感器会卡在冰里，发出“哔哔”声收集测量数据，但这些数据永远不会见天日。Bagshaw 说：“正是这一点让我认为，‘我们需要认真对待数据传输了。’”

到 2013 年，布里斯托团队和 Bagshaw 有了一个粗略的原型，开始阐明冰层内动态的环境。这再及时不过了：在过去十年 Cryoegg 的开发过程中，格陵兰冰盖已损失超过 2000 吉吨冰。

2019 年夏天，Bagshaw 和 Prior-Jones 在格陵兰和瑞士进行了三次试验，首次测试了他们最新的设计。在一项发表在《冰川学杂志》上的研究中，他们证明 Cryoegg 能够穿透 4000 多英尺的冰层传输重要数据。虽然钻孔尚未连接到冰下水通道，但这是气候变化研究的一个重要里程碑。

在冰下潜水期间，Cryoegg 测量温度以指示是否存在液态水，以及电导率以指示溶解矿物质的含量。这揭示了融水的速度：如果融水流速快，它会相对纯净。但如果它停滞不前，水会在更长的时间内与基岩相互作用，溶解更多的矿物质并增加电导率。

这个“蛋”的压力数据可能最能说明问题。如果压力相对较高，则很可能在冰床空腔中积聚了大量融水，形成了驱动冰块滑动的润滑层。在融化季节，水会在冰川下方形成隧道，从而减轻压力，减缓冰川向开阔水域的滑动。Cryoegg 的压力测量可以帮助研究人员推断出这个隐藏排水系统的结构，以及来自地表融水的涌入将如何加速冰川流入海洋的旅程。

构成较小冰川（仅几平方英里）的冰每年可以移动几十英尺——而较大的冰体在同一时期可以移动几英里。

一个全面的工具向前发展

虽然 Cryoegg 的球形使其非常适合随融水滚动并承受压力，但它不适合大多数电子元件。Bagshaw 和 Prior-Jones 开玩笑地称这个难题为工程师的“噩梦”，因此他们仍在解决设计漏洞。

除了解决泄漏问题——以及一次测试中“蛋”太大而无法放入钻孔的问题——研究人员还在使用一个相对低效的数据传输天线，因为它是在球形外壳内能够容纳的最短的那一个。尽管他们在格陵兰的试验表明 Cryoegg 能够无线传输数据穿过 4000 多英尺的冰层，但距离他们在测试地点格陵兰冰盖的底部仍有半英里多。这需要通过冰层传输 1.5 英里数据，这个目标可能需要一个更大的接收天线位于冰川表面。另一款名为 WiSe 的无线冰下探测器大约十年前达到了这个深度，但该项目此后已解散。目前唯一在使用的另一款无线探测器 Glacsweb 的传输范围仅为 230 英尺，因为其主要目标是分析相对较薄冰川下方的沉积物。

根据奥斯陆大学和斯瓦尔巴特大学中心（未参与此研究）的冰川学家 Thomas Schuler 的说法，对于大多数其他冰川来说，Cryoegg 超过 4000 英尺的传输记录足以到达冰床。他认为，拥有一款像 Cryoegg 这样的无线设备来穿越危险的冰川内部将是“一个巨大的进步”。但是，除非在冰面上竖起一串接收天线，否则一旦“蛋”开始移动，如何最好地追踪它仍然是个问题。

为了帮助解决这个问题，Schuler 目前正与研究生 Andreas Alexander 以及爱沙尼亚生物机器人学中心的同事合作，制造能够自行绘制坐标的“智能”漂流器。这些圆柱形设备携带多个传感器，包括记录惯性信息的传感器，这些信息以后可用于重建无法通过 GPS 信号访问的融水流路径。尽管原型仍在早期开发阶段，但 Schuler 和他的团队已与 Cryoegg 研究人员进行了沟通，以期获得更详细的冰下通道信息。

目前，仍有半英里的冰层阻碍着 Cryoegg 揭示冰川排水系统的真相——以及我们海洋的未来。Prior-Jones 说，因为没有人知道冰川底部发生了什么，所以模型师只能根据有限的数据进行假设。“拥有大量新数据将改进这些模型，并改进海平面上升的预测。这就是我们的想法。”