盡管其溫度低于冰點(diǎn)，但北極的變暖速度是地球其他地區(qū)的兩倍。隨著北極海冰融化，可用于將陽(yáng)光反射回太空的明亮表面越來(lái)越少。當(dāng)冰蓋上的裂縫打開(kāi)時(shí)，下面的水就會(huì)暴露出來(lái)。黑暗的、不結(jié)冰的水吸收了太陽(yáng)的能量，加熱了海洋并推動(dòng)了進(jìn)一步的融化——一個(gè)惡性循環(huán)。這種變暖反過(guò)來(lái)會(huì)融化冰川，導(dǎo)致海平面上升。

氣候變暖和海平面上升危及生活在沿海地區(qū)的近 40% 的美國(guó)人口、數(shù)十億依賴(lài)海洋獲取食物和生計(jì)的人，以及北極熊和北極狐等物種。冰層覆蓋的減少也使曾經(jīng)無(wú)法通行的地區(qū)更容易進(jìn)入，開(kāi)辟了新的航道和港口。使用這些新興的跨北極航線(xiàn)進(jìn)行產(chǎn)品運(yùn)輸、開(kāi)采自然資源（例如石油和天然氣）和軍事活動(dòng)的興趣正在將一個(gè)傳統(tǒng)上以低緊張和合作為標(biāo)志的地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槿虻鼐壵胃?jìng)爭(zhēng)之一。

隨著北極的開(kāi)放，預(yù)測(cè)海冰何時(shí)何地破裂在戰(zhàn)略決策中變得越來(lái)越重要。然而，我們對(duì)導(dǎo)致冰裂的物理過(guò)程的理解存在巨大差距。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員試圖通過(guò)將數(shù)據(jù)稀疏的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)豐富的環(huán)境來(lái)幫助縮小這些差距。他們?cè)O(shè)想在北極部署一組分布式無(wú)人值守傳感器，以持續(xù)檢測(cè)和定位冰層破裂事件。同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量各種環(huán)境條件，包括水溫鹽度、風(fēng)速和方向，以及不同深度的洋流。通過(guò)將這些壓裂事件和環(huán)境條件關(guān)聯(lián)起來(lái)，他們希望發(fā)現(xiàn)有關(guān)導(dǎo)致海冰破裂的原因的有意義的見(jiàn)解。這些見(jiàn)解可以幫助預(yù)測(cè)北極海冰的未來(lái)狀態(tài)，從而為氣候建模、氣候變化規(guī)劃和最高級(jí)別的政策決策提供信息。

“我們正在努力研究冰裂、氣候變化和海洋熱流之間的關(guān)系，”林肯實(shí)驗(yàn)室高級(jí)海底系統(tǒng)和技術(shù)小組的助理負(fù)責(zé)人安德魯·馬奇說(shuō)?！氨牧芽p會(huì)導(dǎo)致溫水上升，更多的冰融化嗎？海底洋流和海浪會(huì)導(dǎo)致裂縫嗎？裂縫會(huì)導(dǎo)致海底波浪嗎？這些是我們旨在調(diào)查的問(wèn)題類(lèi)型?！?/p>

北極通道

2022 年 3 月，March 小組的兩位研究人員 Ben Evans 和 Dave Whelihan 乘坐三個(gè)航班，歷時(shí) 16 個(gè)小時(shí)，飛往位于阿拉斯加北坡的普拉德霍灣。從那里，他們登上了一架小型專(zhuān)用飛機(jī)，又飛了 90 分鐘，飛到了北冰洋近海 160 海里處漂浮的三英里半長(zhǎng)的冰層上。在他們抵達(dá)前的幾周，美國(guó)海軍的北極潛艇實(shí)驗(yàn)室將這片荒涼的浮冰變成了一個(gè)名為“女王魚(yú)冰營(yíng)”的臨時(shí)作業(yè)基地，以第一艘在冰下作業(yè)和第四艘到達(dá)北極的鱘魚(yú)級(jí)潛艇命名. 冰營(yíng)地有一條 2,500 英尺長(zhǎng)的跑道、一個(gè)指揮中心、最多可容納 60 人的睡眠區(qū)、一個(gè)用餐帳篷和極其有限的互聯(lián)網(wǎng)連接。

在皇后魚(yú)，在接下來(lái)的四天里，埃文斯和威利漢加入了美國(guó)海軍、陸軍、空軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和海岸警衛(wèi)隊(duì)的成員，以及加拿大皇家空軍、海軍和英國(guó)皇家海軍的成員，他們正在參加冰 2022 年演習(xí) (ICEX)。在大約三周的時(shí)間里，200 多名駐扎在普拉德霍灣皇后魚(yú)和兩艘美國(guó)海軍潛艇上的人員參加了這次兩年一度的演習(xí)。ICEX 2022 的目標(biāo)是評(píng)估美國(guó)在北極的作戰(zhàn)準(zhǔn)備情況；增加我國(guó)在該地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)；增進(jìn)我們對(duì)北極環(huán)境的了解；并繼續(xù)與其他軍種、盟友和伙伴組織建立關(guān)系，以確保北極自由和平。

在北極，風(fēng)寒溫度可驟降至零以下 60 華氏度，足以在幾分鐘內(nèi)凍結(jié)暴露的皮膚。風(fēng)和洋流會(huì)使整個(gè)營(yíng)地漂流到附近緊急救援飛機(jī)無(wú)法觸及的地方，冰隨時(shí)可能破裂。為確保參與者的安全，海軍氣象專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)不斷監(jiān)測(cè)不斷變化的情況。在冰上形成巨大裂縫后，ICEX 2022 的原始營(yíng)地位置不得不疏散并重新安置，從而延誤了 Evans 和 Whelihan 的行程。即使是新選擇的地點(diǎn)，營(yíng)地后面也有一個(gè)很大的裂縫，還有一個(gè)裂縫，需要移動(dòng)一些帳篷。

“隨著氣候變暖，這種開(kāi)裂事件只會(huì)增加，因此現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更重要的是了解它們背 后的物理過(guò)程，”Whelihan 說(shuō)?！斑@樣的理解將需要建造能夠在環(huán)境中持續(xù)存在的技術(shù)，盡管條件如此惡劣。因此，這不僅是科學(xué)角度的挑戰(zhàn)，也是工程角度的挑戰(zhàn)。”

“天氣總是有投票權(quán)，決定了你在這里能做什么，”埃文斯補(bǔ)充道?！氨睒O潛艇實(shí)驗(yàn)室為建造營(yíng)地做了大量工作，并使其成為一個(gè)安全的環(huán)境，讓像我們這樣的研究人員可以來(lái)這里從事良好的科學(xué)研究。ICEX 確實(shí)是我們必須在如此偏遠(yuǎn)的地方進(jìn)入海冰的唯一機(jī)會(huì)收集數(shù)據(jù)。”

海冰實(shí)驗(yàn)的遺產(chǎn)

雖然這次旅行是 Whelihan 和 Evans 第一次前往北極地區(qū)，但實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)海底系統(tǒng)和技術(shù)小組的工作人員自 2018 年以來(lái)一直在 ICEX 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，由于北極的偏遠(yuǎn)位置和極端條件，數(shù)據(jù)收集很少持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間或廣泛分布在大范圍內(nèi)。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在希望通過(guò)構(gòu)建低成本、可消耗的傳感平臺(tái)來(lái)改變這種狀況，該平臺(tái)由位于同一地點(diǎn)的設(shè)備組成，這些設(shè)備可以無(wú)人看管，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、持久、近實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

“該實(shí)驗(yàn)室在快速原型制作、地震聲學(xué)信號(hào)處理、遙感和海洋學(xué)方面的廣泛專(zhuān)業(yè)知識(shí)使我們非常適合構(gòu)建這個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，”埃文斯說(shuō)。

在北極之旅前的幾個(gè)月里，該團(tuán)隊(duì)在馬薩諸塞州韋斯特福德的實(shí)驗(yàn)室干草堆天文臺(tái)站點(diǎn) Firepond 收集了地震儀數(shù)據(jù)。通過(guò)這種本地?cái)?shù)據(jù)收集，他們旨在了解人為（人為）噪音的樣子，以便他們可以開(kāi)始預(yù)測(cè)他們可能在北極看到的各種特征。他們還收集了解凍循環(huán)期間的冰融化/破裂數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與天氣條件（氣溫、濕度和壓力）相關(guān)聯(lián)。通過(guò)這項(xiàng)分析，他們檢測(cè)到隨著溫度升至 32 F 以上，地震信號(hào)有所增加——這表明氣溫和冰裂可能相關(guān)。

傳感網(wǎng)絡(luò)

在 ICEX，該團(tuán)隊(duì)部署了由實(shí)驗(yàn)室和新罕布什爾大學(xué) (UNH) 開(kāi)發(fā)的各種商用現(xiàn)成傳感器和新傳感器，以評(píng)估它們?cè)诤洵h(huán)境中的彈性并收集初始數(shù)據(jù)集。

“將這些實(shí)驗(yàn)與過(guò)去的實(shí)驗(yàn)區(qū)分開(kāi)來(lái)的一個(gè)方面是，我們同時(shí)收集了地震聲學(xué)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)，”埃文斯說(shuō)。

商業(yè)技術(shù)是地震儀，用于檢測(cè)海冰破裂或與其他浮冰碰撞時(shí)釋放的振動(dòng)能量；一個(gè)水聽(tīng)器（水下麥克風(fēng)）陣列，用于記錄冰破裂事件產(chǎn)生的聲能；聲速剖面儀，用于測(cè)量通過(guò)水柱的聲速；以及電導(dǎo)率、溫度和深度 (CTD) 剖面儀，用于測(cè)量整個(gè)水柱的鹽度（與電導(dǎo)率有關(guān)）、溫度和壓力（與深度有關(guān)）。海洋中的聲速主要取決于這三個(gè)量。

為了在一個(gè)位置精確測(cè)量整個(gè)水柱的溫度，他們部署了由實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)材料和微系統(tǒng)集團(tuán)與美國(guó)制造創(chuàng)新研究所先進(jìn)功能織物合作開(kāi)發(fā)的一系列基于晶體管的溫度傳感器。小型溫度傳感器沿著嵌入多個(gè)導(dǎo)體的線(xiàn)狀聚合物纖維的長(zhǎng)度運(yùn)行。這種光纖平臺(tái)可以支持廣泛的傳感器，可以在水面以下數(shù)百英尺處解開(kāi)，以同時(shí)測(cè)量溫度或其他水屬性——部署在北極的光纖還包含用于測(cè)量深度的加速度計(jì)——在北極的許多點(diǎn)水柱。傳統(tǒng)上，溫度分析需要在水柱中上下移動(dòng)設(shè)備。

該團(tuán)隊(duì)還部署了由 UNH 海岸和海洋測(cè)繪中心的合作者 Anthony Lyons 和 Larry Mayer 提供的高頻回聲測(cè)深儀。這種主動(dòng)聲納使用聲能來(lái)檢測(cè)內(nèi)波，或在海洋表面下發(fā)生的波。

“你可能認(rèn)為海洋是同質(zhì)的水體，但事實(shí)并非如此，”埃文斯解釋道?！半S著深度下降，可能會(huì)存在不同的水流，就像在海拔上升時(shí)會(huì)遇到不同的風(fēng)一樣。UNH 回聲測(cè)深儀使我們能夠看到水柱中的不同水流，以及轉(zhuǎn)彎時(shí)的冰粗糙度傳感器向上看?！?/p>

“我們關(guān)心洋流的原因是，我們相信它們會(huì)告訴我們一些關(guān)于來(lái)自大西洋的溫暖水如何與海冰接觸的信息，”Whelihan 補(bǔ)充道?！八粌H融化了冰，而且含鹽量也較低，從而形成了海洋層，影響了冰的持續(xù)時(shí)間和地點(diǎn)?！?/p>

回到家，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始分析他們的數(shù)據(jù)。對(duì)于地震數(shù)據(jù)，該分析涉及將任何冰事件與各種人為噪聲源（包括發(fā)電機(jī)、雪地摩托、腳步聲和飛機(jī)）區(qū)分開(kāi)來(lái)。同樣，研究人員知道他們的水聽(tīng)器陣列聲學(xué)數(shù)據(jù)受到來(lái)自另一個(gè)參與 ICEX 的研究團(tuán)隊(duì)放置在水中的聲源的能量的污染?；谒鼈兊奈锢韺W(xué)，冰震——冰裂時(shí)發(fā)生的地震事件——具有可用于識(shí)別它們的特征特征。一種方法是手動(dòng)查找冰震，并使用該簽名作為在數(shù)據(jù)集中查找其他冰震的指南。

從他們的水柱剖面?zhèn)鞲衅髦?，他們發(fā)現(xiàn)了海洋表面以下 30 到 40 米處聲速剖面的有趣演變，這與當(dāng)天晚些時(shí)候流入的大量較冷的水有關(guān)。該組織的物理海洋學(xué)家認(rèn)為，剖面的這種變化是由于白令海的水，最初來(lái)自大西洋的水。UNH 提供的回聲測(cè)深儀也在相似的深度產(chǎn)生了一個(gè)有趣的信號(hào)。

“我們的假設(shè)是，這個(gè)結(jié)果與我們檢測(cè)到的大聲速變化有關(guān)，要么直接因?yàn)樵搶拥姆瓷?，要么是因?yàn)楦∮紊?，它們往往?huì)上升到該層的頂部，”埃文斯解釋說(shuō)。

未來(lái)的預(yù)測(cè)能力

展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)挖掘他們收集的數(shù)據(jù)并使用這些數(shù)據(jù)開(kāi)始構(gòu)建能夠自動(dòng)檢測(cè)和定位并最終預(yù)測(cè)與環(huán)境條件變化相關(guān)的冰層事件的算法。為了補(bǔ)充他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們已經(jīng)開(kāi)始與模擬海冰物理行為的組織進(jìn)行對(duì)話(huà)，包括國(guó)家海洋和大氣管理局和國(guó)家冰中心。將實(shí)驗(yàn)室在傳感器設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與他們?cè)诒锢矸矫娴膶?zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合，可以更全面地了解北極的變化。

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)還將開(kāi)始探索具有成本效益的工程方法，將傳感器集成到經(jīng)過(guò)加固的封裝中，以便在北極惡劣的環(huán)境中部署。

“在這些傳感器真正無(wú)人值守之前，可用性的人為因素是最重要的，”Whelihan 說(shuō)?！耙?yàn)樘淞耍O(shè)備可能會(huì)意外損壞。例如，在 ICEX 2022 上，我們的地震儀防水外殼幸免于難，但它的電源外殼由便宜的塑料制成，在我去的時(shí)候摔碎了。把它撿起來(lái)?！?/p>

傳感器包不僅需要承受寒冷的環(huán)境，還需要能夠通過(guò)某種衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路“打電話(huà)回家”并維持其電力。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃調(diào)查加工產(chǎn)生的廢熱是否可以使儀器保持溫暖，以及如何從北極環(huán)境中獲取能量。

在計(jì)劃于 2024 年舉行的下一次 ICEX 之前，他們希望在類(lèi)似北極的環(huán)境中對(duì)其傳感器包和概念進(jìn)行初步測(cè)試。在參加 ICEX 2022 期間，他們與其他幾位與會(huì)者——包括美國(guó)海軍、北極潛艇實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家冰中心和阿拉斯加費(fèi)爾班克斯大學(xué) (UAF)——進(jìn)行了交流，并將冷藏室實(shí)驗(yàn)確定為潛在合作領(lǐng)域之一。測(cè)試也可以在離家更近、更容易到達(dá)的戶(hù)外地點(diǎn)進(jìn)行，例如密歇根州的五大湖和阿拉斯加巴羅的 UAF 維護(hù)的站點(diǎn)。未來(lái)，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)可能有機(jī)會(huì)陪同美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)人員乘坐破冰船從阿拉斯加前往格陵蘭島。該團(tuán)隊(duì)還在考慮收集遠(yuǎn)離人類(lèi)噪聲源的數(shù)據(jù)的可能場(chǎng)所。

“自從我告訴同事、朋友和家人我要去北極，我就氣候變化以及我們?cè)谀抢镒鍪裁匆约拔覀優(yōu)槭裁催@樣做進(jìn)行了很多有趣的對(duì)話(huà)，”Whelihan 說(shuō)?！叭藗儗?duì)這種環(huán)境及其影響沒(méi)有內(nèi)在的、自動(dòng)的理解，因?yàn)樗x我們太遠(yuǎn)了。但北極在幫助保持全球氣候平衡方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此我們必須了解導(dǎo)致的過(guò)程到海冰裂縫?！?/p>