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南极为什么比北极冷?

2019-11-30 作者:科学动态   |   浏览(55)

图片 1北极的月亮。图片来源:Geir Johnson (Norges Naturvitenskapelige Universitet, NTNU, and University Centre in Svalbard, UNIS).

在人们固有的认知中,南北极可以说是地球上最寒冷的地方。众所周知,极地白雪皑皑,冰川广布,气候寒冷。倘若要从南北两极中选出一个更冷的地方,那一定非南极莫属。有数据显示,南极地区年平均气温是零下25摄氏度。科学家在南极测到过的最低气温为零下94.5摄氏度,而北极最低温度只有零下68.5摄氏度。南极比北极冷这一现象是多方因素造成的,综合起来有以下三大原因:

在西方文化中,月亮往往是神秘的化身。数之不尽的动物昼伏夜出,在夜色中穿行,而唯有这一轮明月能赋予它们微弱的光明。因此月亮也在诸多神秘生物传说中扮演着重要的角色,譬如满月变身的狼人、信奉月神的暗夜精灵,以及代表月亮消灭你的美少女战士月野兔(大雾)。

一、获得太阳辐射热量不同

而在大自然中,也的确存在着一大类生物,它们可以接受月亮的指引来完成迁徙。近日,来自苏格兰海洋科学协会的金·拉斯特(Kim S. Last)及其团队发现,在北极圈进入极夜时,生活在北冰洋中的浮游动物的垂直迁徙活动会受到月亮的影响。相关文章[1]发表在最新一期的《当代生物学》(Current Biology)上。

1.南北极的太阳高度有所差异。太阳高度是太阳辐射的决定因素。众所周知地球是一个两级稍扁、赤道略鼓的不规则椭圆体,其北极半径比大地平均水准高10米,南极半径比大地平均水准低30米,这就使得南极地区某一纬度的全年平均太阳高度小于北极,而太阳高度越小,单位面积上获得的太阳辐射越少,常年气温越低。

上浮还是下潜,这是个问题

浮游动物虽然看似微不足道,但却是海洋生态系统的中流砥柱。拉斯特说:“浮游动物是海洋中的小型动物,位于食物链的底层。一部分浮游动物以藻类为食,同时又是另一部分肉食性浮游动物的食物。如果没有了浮游动物,海洋中的生命形式将非常少,可能就只剩下细菌和藻类了。”

图片 2图片 3海水中生活着大量浮游动物。这些不起眼的小家伙们,在海洋生态系统中有着举足轻重的地位。图片来源:Kim S. Last

中国人年年有春运,浮游动物们则每天有垂直迁徙。这是一类全球性的普遍行为:它们往往在白天时向深海方向移动,而在夜晚重新回到近海面处——这或许是这个星球上每天规模最大的迁徙活动了。

它们为什么要进行迁徙呢?“其实原因非常的简单,它们远离阳光是为了躲避捕食者。小如肉食性浮游动物,大如鲸类等生物都在阳光下捕食。因此,当太阳升起时,浮游动物就开始向大洋深处移动,来躲避这些捕猎者。”拉斯特说,“我们的疑问在于,如果没有日夜交替,那又将是怎样的情况呢?”每年,北极圈内大约有6个月的时间,太阳都处在地平线下——这就是极夜现象。在极夜环境下,太阳的指引不复存在,这些声势浩大的浮游动物迁徙会受到怎样的影响?

拉斯特和同事从各国研究机构收集到了累积超过50年的数据进行分析。在北冰洋的各个位置,声学设备被固定在特定位置,利用多普勒效应的原理,水中的浮游动物能影响声波的反射状况,因此被用来研究浮游动物的活动。在声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)监测的MVBS(Mean Volume Backscatter,平均体积后向散射量)数据中,拉斯特发现了令人震撼的细节。

图片 4图片 5北冰洋中ADCP的采样位置。所有探测位置都处于纬度高于69°N的地区,不同位置的海拔高度以及极夜中的光照强度各有不同。其中,A图为整体概况,B图为北极点附近位置放大,C图为波弗特海(Beaufort Sea),D图为斯瓦尔巴特(Svalbard)群岛。图片来源:参考文献[1]

2、日地距离的变化。地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆形。当北半球是冬季时,地球正好处于近日点附近;而南半球的冬季,地球会转到远日点,这就使得南极的冬季比北极更冷。

借月色出击的极夜“狼人”

在每年秋季(10月初)至12月初之间,北极的太阳光逐渐减弱至完全不可见。在这一阶段中,浮游动物们每天的垂直迁徙依然保持着传统的节奏:白天下沉,夜间上升。这种迁徙随着夜间时间的增长而规模渐小,到12月初几近消失。直到次年1月阳光重新照入北极圈时,日间的垂直迁徙才逐渐回归。

研究者发现,12月初至1月初,浮游动物兴师动众的迁徙似乎陷入停滞。在没有太阳指引的极夜,这似乎是合乎情理的事。然而,在细细分析这段时间的数据之后,拉斯特看到了一种与日间垂直迁移截然相反的现象。

随着每天月亮浮出海平面以上,在夜间浮游动物们会向下迁徙;而在原本的中午时间,此时月亮沉于地平线上,它们又会重新上浮。换言之,月亮成了号令北冰洋区庞大迁徙的新“太阳”,明月当空之时,也成了新的“正午”。每到满月高挂时,浮游动物们会以一个巨大的规模,集体向深海处迁徙:每个月大约有6天的时间,浮游动物们在深海处(38m,58m深)的活动比较多,而在浅海处(18m)比较少,这一规律恰巧与月圆时间相吻合。

图片 6图片 7暗藏秘密的MVBS数据。中间彩色的三列数据分别从左到右展示3个不同深度(海平面下18m,38m,58m)约6个多月的数据,纵轴从上到下为日期从2006年10月1日跨度至2007年3月31日,横轴为当日的时间,MVBS数据点越接近红色代表生物量越高。在三列MVBS左侧展示的是12月2日-12月7日(此阶段见不到太阳)的月亮高度与3个深度的MVBS数据,可见从据海面38m至58m的迁徙呈现与月亮位置相一致的模式。在三列MVBS右侧展示的是在固定时间点(22:00-2:00),58m深度处6个月间的总MVBS波动,其波动高峰与满月(FM=Full Moon)的时间吻合,提示在满月时浮游动物来到深处活动。最右侧一列为太阳高度。图片来源:参考文献[1]

这一发现令拉斯特感到激动万分:“这真是一个全新的发现,或许没有人能想到,浮游动物的运动会和月亮的起落周期相关。值得一提的是,在月亮控制下的垂直迁徙周期是24.8小时,而非24小时。”

图片 8图片 9在极夜,北极圈浮游生物的垂直迁徙周期与月亮照射到同一位置的周期一致,约为24.8小时。图片来源:oceanservice.noaa.gov

“应该从来都没有人想到过,浮游动物的迁徙居然会和月亮的周期产生关联。我们猜测,这是因为海洋中存在‘狼人’——一些猎食者会趁着满月月光的照耀,开始主动出击,在浅海处寻觅食物,而因此浮游动物也对应地进行迁徙躲避。”拉斯特说,“这一猜测是有理论基础的,因为我们发现这些生物确实可以感应到月光,借以看清周围的环境。借着月光‘海中狼人’们可以借机大开杀戒,而浮游动物则会退避三舍。”

图片 10浮游动物在月光下利用迁徙躲避捕食者。图片来源:SAMS Communications

3.南北极地区极昼、极夜的日数不同。由于地球在远日点时,公转速度放慢,所以在南极圈里一年中的极夜数要比北极圈里的极夜数多。也就是说,南极地区向宇宙空间释放热量的时间比北极要长一些。

随月迁徙的生态影响

除了躲避天敌之外,浮游动物的迁徙还有着重要的生态意义。“浮游动物的迁徙有助于把海洋表面的二氧化碳携带到海洋深处,这是全球碳循环的重要环节。鉴于在极夜环境下,没有光合作用也就没有藻类,浮游动物可能是彼此为食,而碳循环就借助于它们的排泄物完成。此外,它们迁徙的目的还可能包括降低消耗——在深层的寒冷环境里,呼吸作用和代谢活动都会随之减弱。”

在茫茫的北冰洋中,还存在着更多的秘密等待探寻。拉斯特对果壳网科学人说:“我们还将继续深入研究浮游动物垂直迁徙的具体效应是什么,比如碳循环的具体过程和结果。我们还需要了解迁徙过程中的具体物种的情况,因为声学仪器只能告诉我们全体浮游动物的大致动态是什么。”在接受采访之后,拉斯特又再度扬帆起航,向北极圈进发。这一次,研究人员们又将揭开哪些未解之谜?就让我们拭目以待。

图片 11拉斯特在船上的实验室中。图片来源:SAMS Communications

(编辑:Calo)

二、大气环流条件不同

参考文献:

  1. Last et al., Moonlight Drives Ocean-Scale Mass Vertical Migration of Zooplankton during the Arctic Winter, Current Biology (2016),

南北极地区处于高纬度地区,常年受极地高气压控制。但南极周围被海洋所包围,海洋上空被“低压”控制,因而经常由大陆中心向其边缘地带吹极地东风。风力强劲,风速高达100米每秒,南极还因此得名“世界风极”。相对而言,北极地区是地势较低的海洋,周围被大陆包围,极地东风的风力相对较弱。

文章题图:Geir Johnson (Norges Naturvitenskapelige Universitet, NTNU, and University Centre in Svalbard, UNIS).

三、下垫面状况不同

1、海陆位置的影响。南极地区由南极大陆和附近岛屿构成,虽然被海洋环抱,但因为东部高峻的地形,大陆内部受海洋影响较小。北极地区主要是北冰洋,且在北大西洋暖流影响下,自然比南极更为“温暖”。

2、海拔高度的影响。南极大陆平均海拔是2350米,是世界上最高的大陆。气温和海拔之间有着密切的关系,平均每升高1千米,气温就会下降6摄氏度。

3、反射率的影响。冰雪层对太阳光的反射力极强,南极大陆几乎全部掩盖在厚厚的冰盖之下,冰层的厚度从几百米到几千米不等。因此,南极冰盖阻挡阳光的本领明显比北极强,所以温度也更低。

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