如何為冰川測速

馬修·R. 弗蘭西斯

轟鳴聲中，一架攜有激光器的飛機沿著格陵蘭島海岸線低空飛行，最終懸停在一座冰川上空。光束從機腹射出，并在到達冰川表面后反射回飛機上的一個黑色盒子中。于是，光改變了原有速度，變得像蝸牛爬行一樣緩慢，冰川的流動速度也得以實時記錄。依靠飛機對冰川逐點測量獲取的數據，科學家能夠完整地描繪出格陵蘭島冰蓋縮小的情況，并及時掌握南極洲和阿拉斯加海岸線上的冰蓋的融化情況。

實時監(jiān)測冰川的流速非常重要，上文提到的飛機和配套實驗設備卻僅存在于人們的想象中。政府間氣候變化專門委員會的最新報告指出，到2 1 0 0年，融冰有可能使海平面上升1米，這勢必會殃及低海拔國家和數百萬沿海城市的居民。因此，了解冰川的融化情況可以幫助研究者預測未來。但是，大多數冰川每年僅緩慢流動兩三千米，比普通人步行1小時的路程還短。即使是格陵蘭島流速最快的雅各布港冰川，每年也只流動1 6千米，平均每小時僅1.8米左右。

目前，科學家尚未找到可以一次性測算出冰川流速的新方法?，F(xiàn)有的方法都要分兩步完成——測量出冰川表面在前后兩個時間的位置，再根據其位移得出平均速度。過去，研究者將樁釘固定在冰川邊緣，然后在一定的時間內重返此地勘察冰川的移動情況。現(xiàn)在，機載雷達可以測量出冰川的位置，但仍然需要再次返回實地才可計算出冰川的平均流速。美國科羅拉多大學博爾德分校的科學家特維拉·蒙恩主要依靠衛(wèi)星在格陵蘭島以及南極洲上空定時采集的數據開展研究，但測量結果仍無法一次得出。云情的變化會嚴重影響拍攝質量。蒙恩表示，有時需要等待數月才能獲得某一區(qū)域的有效數據，而有些區(qū)域的信息根本無法獲得。

這種測量技術有著很明顯的缺陷。一方面，分步完成的數據采集技術需要耗費雙倍的人力和物力;另一方面，冰川的移動方向沒有規(guī)律可循，現(xiàn)有的追蹤測量技術無法提供冰川的準確信息。蒙恩認為，冰蓋的流動速度極其重要，是計算冰川流失的一個關鍵變量。假如可以一次性獲得冰川流速的數據，那么數據量和精準度都會大幅提高。

然而，冰川緩慢的流速為測量工作帶來巨大的困難。法國索菲亞· 安提波利斯大學（簡稱尼斯大學）的物理學家翁貝托· 博爾托洛佐及其同事反其道而行之，以快制慢——在光速上大做文章。

在刺耳的警笛聲傳來時，聲波通過聚集產生高音。雷達槍（類似公路巡警使用的槍械）正是利用這種被稱作“多普勒效應”的現(xiàn)象，向正在駛來的汽車射出無線電波并根據反射的波長測算其行駛速度。速度越快，反射回來的無線電波越密集，波長越短。然而一般的雷達槍無法用于測算很低的車速，博爾托洛佐及其同事正在研制能夠徹底解決這一問題的雷達槍。

他們先是將激光束一分為二，讓其中一束射向冰川之類低速移動的目標，根據多普勒效應，其波長會略微改變。這條改變了顏色的光束反射回來，在由許多長螺旋狀染色分子構成的液晶中與另一條光束合二為一。染色分子的形狀在光束的作用下發(fā)生改變，光速則變?yōu)榈陀?毫米/ 秒。

在高速下通常很難察覺兩條光束的波長差，但是重新合成的光束通過延長其光程距離使相互作用得到強化，在其低速經過液晶時，人們即可測算波長差和目標物體的移動速度。博爾托洛佐及其同事已經在實驗室成功監(jiān)測到2×1 0- 1 4米/秒的超低速度，并足足堅持了1秒。這對通常情況下每秒流速為百萬分之幾米的冰川而言已經足夠。

相比其他慢光技術必須在極低溫條件下方可進行，這種使光速變慢的新方法在室溫下即可操作，簡單易行。這意味著實地運用該技術以及由此衍生出的其他技術時，不再需要攜帶液態(tài)氮以及龐大的冷卻設備。科研人員希望未來能開發(fā)出可嵌入飛機內部的儀器，以監(jiān)測格陵蘭島冰川的流速情況。

蒙恩盼望這一天早日來臨。他說：“只要該儀器成功問世，我就能將其置入飛機、無人機或者衛(wèi)星體內，這對我們的研究領域意義重大。這勢必會大大降低人類因為對海平面上升的高度與速度缺乏了解而帶來的巨大風險。