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，可用于將陽光反射回太空的明亮表面越來越少。當(dāng)冰蓋上的裂縫打開時(shí)，下面的水就會(huì)暴露出來。黑暗的、不結(jié)冰的水吸收了太陽的能量，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)。這種變暖反過來會(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% 的美國人口、數(shù)十億依賴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)無法通行的地區(qū)更容易進(jìn)入，開辟了新的航道和港口。使用這些新興的跨北極航線進(jìn)行產(chǎn)品運(yùn)輸、開采自然資源（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胃偁幹弧?/p>

隨著北極的開放，預(yù)測海冰何時(shí)何地破裂在戰(zhàn)略決策中變得越來越重要。然而，我們對(duì)導(dǎo)致冰裂的物理過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)境來幫助縮小這些差距。他們設(shè)想在北極部署一組分布式無人值守傳感器，以持續(xù)檢測和定位冰層破裂事件。同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)將測量各種環(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。通過將這些壓裂事件和環(huán)境條件關(guān)聯(lián)起來，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解。這些見解可以幫助預(yù)測北極海冰的未來狀態(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?！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)查的問題類型?！?/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的冰層上。在他們抵達(dá)前的幾周，美國海軍的北極潛艇實(shí)驗(yàn)室將這片荒涼的浮冰變成了一個(gè)名為“女王魚冰營”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)北極的鱘魚級(jí)潛艇命名. 冰營地有一條 2,500 英尺長的跑道、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，在接下來的四天里，埃文斯和威利漢加入了美國海軍、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和兩艘美國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)估美國在北極的作戰(zhàn)準(zhǔn)備情況；增加我國在該地區(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)營地漂流到附近緊急救援飛機(jī)無法觸及的地方，冰隨時(shí)可能破裂。為確保參與者的安全，海軍氣象專家團(tuán)隊(duì)不斷監(jiān)測不斷變化的情況。在冰上形成巨大裂縫后，ICEX 2022 的原始營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 后的物理過程，”Whelihan 說?！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)?！?/p>

“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)在希望通過構(gòu)建低成本、可消耗的傳感平臺(tái)來改變這種狀況，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。

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，以便他們可以開始預(yù)測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)。通過這項(xiàng)分析，他們檢測到隨著溫度升至 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) 開發(fā)的各種商用現(xiàn)成傳感器和新傳感器，以評(píng)估它們在寒冷環(huán)境中的彈性并收集初始數(shù)據(jù)集。

“將這些實(shí)驗(yàn)與過去的實(shí)驗(yàn)區(qū)分開來的一個(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。

商業(yè)技術(shù)是地震儀，用于檢測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，用于測量通過水柱的聲速；以及電導(dǎo)率、溫度和深度 (CTD) 剖面儀，用于測量整個(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)與美國制造創(chuàng)新研究所先進(jìn)功能織物合作開發(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)體的線狀聚合物纖維的長度運(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，以同時(shí)測量溫度或其他水屬性——部署在北極的光纖還包含用于測量深度的加速度計(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 海岸和海洋測繪中心的合作者 Anthony Lyons 和 Larry Mayer 提供的高頻回聲測深儀。這種主動(dòng)聲納使用聲能來檢測內(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)。”

回到家，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始分析他們的數(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)分開來。同樣，研究人員知道他們的水聽器陣列聲學(xué)數(shù)據(jù)受到來自另一個(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。基于它們的物理學(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，最初來自大西洋的水。UNH 提供的回聲測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)果與我們檢測到的大聲速變化有關(guān)，要么直接因?yàn)樵搶拥姆瓷洌词且驗(yàn)楦∮紊?，它們往往?huì)上升到該層的頂部，”埃文斯解釋說。

未來的預(yù)測能力

展望未來，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)開始構(gòu)建能夠自動(dòng)檢測和定位并最終預(yù)測與環(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)開始與模擬海冰物理行為的組織進(jìn)行對(duì)話，包括國家海洋和大氣管理局和國家冰中心。將實(shí)驗(yàn)室在傳感器設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方面的專業(yè)知識(shí)與他們在冰物理方面的專業(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)還將開始探索具有成本效益的工程方法，將傳感器集成到經(jīng)過加固的封裝中，以便在北極惡劣的環(huán)境中部署。

“在這些傳感器真正無人值守之前，可用性的人為因素是最重要的，”Whelihan 說。“因?yàn)樘淞?，設(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?！?/p>

傳感器包不僅需要承受寒冷的環(huán)境，還需要能夠通過某種衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路“打電話回家”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，他們希望在類似北極的環(huán)境中對(duì)其傳感器包和概念進(jìn)行初步測試。在參加 ICEX 2022 期間，他們與其他幾位與會(huì)者——包括美國海軍、北極潛艇實(shí)驗(yàn)室、國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。測試也可以在離家更近、更容易到達(dá)的戶外地點(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，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)可能有機(jī)會(huì)陪同美國海岸警衛(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)離人類噪聲源的數(shù)據(jù)的可能場所。

“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在那里做什么以及我們?yōu)槭裁催@樣做進(jìn)行了很多有趣的對(duì)話，”Whelihan 說?！叭藗儗?duì)這種環(huán)境及其影響沒有內(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)致的過程到海冰裂縫?！?/p>