在预测北极地区未来将继续变暖的程度和速度方面,云层是最的不确定因素之一。根据一年中的不同时间以及它们形成和存在的不断变化的境,既可以起到保温的作用,也可以冷却它们下面的海面。

几十年来,科学家们一直认为,北极海冰覆盖面积的减少使得更多的云在海洋表面附近形成。现在,NASA的一项新研究表明,暴露的海洋通过海上一个被称为“冰间湖(polynya)”的大释放热量和分,促进了更多云的形成,这些云捕获了大气中的热量,阻碍了新海冰的再冻结。

这一发现来自于一项对位于格陵兰岛和加拿大之间的巴芬湾北部被称为北方水域冰间湖的研究。该研究是最早利用卫星上的主动传感器探测冰间湖与云之间相互作用的研究之一,科学家们可以利用卫星上的主动传感器分析大气中低层和高层的垂直云层。

领导这项研究的美国宇航局汉普顿兰利研究中心的大气科学家艾米丽·门罗(Emily Monroe)解释说,这种方法使科学家们可以更准确地发现在冰间湖和周围海冰上的海洋表面附近云层的形成过程。

2016年4月19日,在冰桥行动飞行期间看到的北方水域冰间湖和相邻海冰的一部分。从海洋中蒸发的水分可以凝结成小云。
图片来源:NASA/Jeremy Harbeck

“我们不再依赖模型输出和气象再分析来验证我们的假设,而是能够从冰间湖附近地区获取近乎瞬时的卫星扫描数据。”门罗说。“由于每次扫描都是在大约10秒的时间范围内收集的,这是更可能冰间湖和附近的海冰更有可能经历相同的大规模天气条件,所以我们可以更准确地分辨出从冰面到水面的变化对上覆云层的影响。”


一个简化的可视化图显示了在被称为冰间湖的海冰包围的大洞打开之前、期间和之后的云层响应。可以看到海冰的隔热效果,因为冰间湖的开口促进了热量(红色)和水分(黄色)的交换。冰洞上的云(紫色)散发的热量有助于保持冰间湖冰冻的开放,并在新的海冰关闭冰洞后仍保持开发。
图片来源:NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab/Jenny McElligott

位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的海冰科学家莱内特·博伊斯维特(Linette Boisvert)参与了这项研究,他解释说,海冰的作用就像一锅沸水的盖子。当盖子被打开时,热量和蒸汽逸入到空气中。

“我们从海洋中吸收了更多的热量和水分,进入大气层,因为海冰就像一个盖子或相对温暖的海洋表面和上面寒冷干燥的大气之间的屏障。”博伊斯维特说。“大气变暖和变湿减缓了海冰的垂直增长,这意味着它不会那么厚,所以在夏季更容易融化。”

与北极和南极的其他冰间湖一样,当特定的风向持续方向吹并在冰层上撕破洞时,就会形成北方水域冰间湖。这些风型只存在于冬季,湖口反复打开和关闭,交替暴露和隔离海洋。

这些新见解出现之际,正值北极海冰面积在2021年较暖的几个月逐渐减少后,似乎已达到年度最小范围。它们强调了海冰是如何影响一个在调节全球变暖、海平面上升以及人类造成的气候变化的其他影响方面发挥着不可或缺作用的地区。

海冰不会直接导致全球海平面上升。就像饮料中的冰块一样,融化的海冰并不会直接增加海洋中的水容量。然而,北极海冰范围的缩小可能会使相对温暖的海水暴露在该地区的沿海冰盖冰川中,导致更多的融化,使淡水流入海洋,并导致海平面上升。

在2019年4月3日的冰桥行动飞行中看到的北方水域冰间湖的西部边缘。冰间湖是一大片暴露在大量海冰覆盖区域内的海洋,在较冷的月份开放四到五次。北方水域冰间湖的范围每年都不同,但可以大到覆盖美国整个州的面积,例如弗吉尼亚州。
图片来源:NASA/Jeremy Harbeck

新的研究显示,在冰间湖上空低层的云比在被海冰覆盖的邻近地区的云排放出更多的能量或热量。这些低层的云也含有更多的液态水——比附近海冰上的云高出近4倍。在研究期间,冰间湖每次重新结冰后,云层下增加的云量和热量在持续了大约一周。

“仅仅因为海冰重新形成和冰间湖关闭,这并不意味着情况会立即恢复正常,”博伊斯维特说。 “即使水分来源基本上消失了,这种额外的云层和增加的云对地表辐射效应的影响在冰间湖冻结后仍会持续一段时间。”

参与这项研究的NASA兰利分部的气候科学家帕特里克·泰勒(Patrick Taylor)说,这些发现还表明,云团对冰间湖的反应延长了冰间湖保持开放的时间。

“它们可以形成更厚的覆盖层,并增加向地表散发的热量。”泰勒说。“释放出的热量有助于使北方水域冰间湖的表面保持温暖,并有助于延长事件本身。”

大规模的气象过程常常使北极变暖的研究变得困难。然而,在同一区域的海冰上重复的开口创造了一个天然实验室来研究云之间的反馈以及海冰和冰间湖之间的交替。

“我们可以比较海冰和开阔水域区域,以及足够接近这两种表面类型的云层,这样我们就不必担心大气条件的巨大变化会混淆以前的研究,”泰勒说。 “如果在几天内海冰消失的冰湖事件没有云层的响应,你就不会期望其他任何地方有响应。冰间湖的开放是一个非常强烈的、明显的强迫因素。”

该团队计划将他们的研究提升到一个新的水平,并测试是否可以在海冰和公海相遇的其他地区观察到类似的云层效应。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/esnt/2021/nasa-satellites-show-how-clouds-respond-to-arctic-sea-ice-change

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