第十四卷 第九期 - 2010年七月十六日 PDF
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板體彎曲與水壓致裂所造成的冰架崩解:2008年威爾金冰架裂解事件之衛星觀測與模式模擬結果
國立成功大學理學院地球科學系教授
Earth and Planetary Science Letters 2009. 280(1-4), pp. 51-60.
Cold Regions Science and Technology 2009, 55, pp. 14-22.
Antarctic Science 2008. 20(6), pp. 605-606.
 
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球暖化已在極區引發許多變化,特別是南極半島西側過去50年來以平均每十年0.5 ˚C的速度快速上升,是全球暖化最嚴重的地區。導致南極半島西側一連串的冰架在過去30年接二連三地崩解,包括了拉森B、高茲塔王子道(The Prince Gustav Channel)、拉森口(Larsen Inlet)、拉森A、伍迪(Wordie)、穆勒(Muller)以及瓊斯(Jones)冰架的崩解,在在都凸顯了南極地區空前嚴重的暖化現像。科學家們謹慎地追蹤冰架的移動並研究其崩離的現象,因為某些冰架撐住冰河。一旦冰河不再受到侷限而進入海中,將加快海平面上升的速度。欲增進吾人對於冰架崩解事件發生機制的瞭解,我們需要一個能夠同時蒐集高空間與高時間分辨率的系統,好讓我們可以偵測極區微小而動態的變化。考慮在極區進行現地調查所遇到的困難和限制,遙測已被認為是研究極區的一項重要方法之一。例如國際極區年(International Polar Year 2007-2008)的主要任務之一便是協調並蒐集衛星在劇烈變化的極區環境中所獲取之各種資料。

由台灣的國家太空中心所操控的福爾摩沙二號衛星(福衛二號)是全世界第一枚運行在每日再訪軌道上的高空間分辨率光學遙測衛星。福衛二號搭載了雙軸高扭矩反應輪,可以分別在沿軌±45˚與跨軌±45˚的兩個方向上進行指向拍攝。此特性讓我們每天都可以獲取極區任何地方2公尺解析度的光學影像。我們已經成功地展現了這些前所未有的福衛二號影像是極區研究非常寶貴而重要的資料來源。本研究與美國冰雪資料中心(National Snow and Ice Data Center; NSIDC)合作,運用高空間與高時間分辨率的福衛二號影像,共同探討極區冰架崩解事件的機制。

全世界第一幅南極科學站的高空間分辨率光學衛星影像 (Liu et al. 2008)

在1997年的9月到10月間,曾藉由操控Radarsat-1衛星以一種特別的軌道運行,獲取了全南極大陸30公尺解析度的雷達影像(Jezek et al. 1998)。然而受到高度、刈幅、以及指向能力的限制,高空間分辨率光學遙測衛星的操作仍侷限於一定的緯度範圍。例如到1980年代為止Landsat (AL:705km/SW:185km/PC:0˚) 任務已經可以提供南北緯81˚ 範圍內高空間分辨率的光學衛星遙測影像。自2000年起,這個極限已經由ASTER (AL:705km/SW:60km/PC:24˚)推升至南北緯86˚ 的範圍(Kargel et al. 2005)。但是直到福衛二號Formosat-2 (AL:891km/SW:24km/PC: ±45˚ 沿軌與跨軌)成功運轉後,才將這個極限打破,讓我們可以對整個極區高緯度的範圍獲取高空間分辨率的光學衛星影像。

圖一是福衛二號在2006年12月18日所拍攝全世界第一幅,南極科學站高空間分辨率(2公尺)的多頻譜(4波段)光學衛星遙測影像。這幅影像可以和1997年9月14日雷達衛星Radarsat-1所拍攝的影像互相比對(http://www.space.gc.ca/asc/img/rsat1_southpr1.tif, 瀏覽於5 October 2009)。於1956年11月間,在地理南極 (標示為P) 100公尺範圍內所建立的 Amundsen-Scott 南極科學站,便成為了地球上有人連續居住的最南之極。原來的科學站是在1956–1957間建立,並自1975年後廢棄不用。此站在同年重建成一個具有盒狀Skylab 塔的測地形圓頂建築 (標示為F)。由於這個區域內的幾個計劃從1990年代起產出了許多重要的成果,一座具有可調整高度功能的新科學站(標示為E)自1992年起開始規劃,並於2003年正式啟用。並鋪設了一條長達3658公尺的跑道(標示為J),可供飛機每天數次的起降,以進行所需的運補工作。這些建築物和跑道從福衛二號遙測影像尚可以清楚的加以辨釋。在理想的條件下,由三具燃油發電機所產生的煙霧也可以從影像上辨釋出來。這些由福衛二號所拍攝高空間分辨率的光學衛星影像成為了監控南極科學站周遭環境的理想資訊,特別是當惡劣天候限制了戶外活動時特別有用。
Fig. 1. 福衛二號在2006年12月18日所拍攝全世界第一幅,南極科學站高空間分辨率(2公尺)的多頻譜(4波段)光學衛星遙測影像。 A: Ice Cube, B: DSL (Dark Sector Lab) (BICEP: Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, SPT: South Pole Telescope), C: MAPO (Martin A. Poemerantz Observatory) (QUAD: Cosmic microwave Background imager), D: IceCube drill camp, E: the Elevated station (the new Amundsen-Scott Station), F: the Dome (NSF Amundsen-Scott Station) and the SkyLab in the right within the rectangle, G: GEOSAT/MARISAT Radar, H: ARO (Atmospheric research Observatory), I: summer camp, J: ski way, K: PAX terminal, P: Geographic South Pole. 取自(Liu et al. 2008)。

監控極區冰架邊緣之動力過程(Liu et al. 2009)

由於冰塊的形狀通常在幾天、甚至幾週內都不會改變,我們可以在連續的影像中辨釋出同一塊冰塊而不會有混淆不清的情形。為了展示福衛二號連續影像在監控與追蹤冰架工作上的優勢,我們使用了「福衛二號影像自動處理系統」(Formosat-2 Automatic Image Processing System; F2-AIPS)來處理在加拿大阿勒(Alert)附近,於3/24/2006至4/2/2006間所拍攝的連續10幅福衛二號影像。在每一幅影像上,我們先用目視找出三塊預先選定的冰塊,並以手動的方式描繪出他們的邊界(白線)。每一塊冰塊移動的路徑可以將每一幅影像上的位置相連來獲得。這些連續十天的移動路徑,揭露了冰塊在冰架裂解與在凍結事件反覆發生的冰架裂縫附近,經歷了多麼劇烈的變動過程。在3/25 – 3/27之間,這些冰塊被推離而後拉向原冰架達3公里之遠。接著,這些冰塊沿著裂縫的方向向西北快速移動,最高速度甚至可以達到每天5公里(3/29 – 3/30)。
Fig. 2. 運用福衛二號於3/24/2006至4/2/2006間在加拿大阿勒(Alert)附近所拍攝的連續10幅影像連續影像來監控與追蹤冰架每日變化的例子。(a) 3/24, (b) 3/25, (c) 3/26, (d) 3/27, (e) 3/28, (f) 3/29, (g) 3/30, (h) 3/31, (i) 4/1, (j) 4/2。取自(Liu et al. 2009)。

2008威爾金冰架崩解事件(Scambos et al. 2009)

威爾金冰架(Wilkins Ice Shelf)位於南極半島西南邊,距南美洲南端僅約1600公里,是一塊寬廣厚實的永久浮冰平台。威爾金冰架已經存在超過幾百年了。但由於空氣的暖化與海洋波浪的作用,冰架開始崩解。衛星影像顯示威爾金冰架於二月二十八號開始崩解;資料指出一座巨大的冰山(41公里乘2.5公里),由冰架西南的前緣墜落,誘發冰架內部面積高達570平方公里的範圍快速崩解分離。冰架的邊緣崩解碎裂傾倒而呈現出深層冰塊在剛剛暴露於大氣時所特有的天藍色特徵。這正如同2002年由於氣候劇變所導致的拉森B冰架崩解事件。由3月23日的影像顯示,目前威爾金所殘存的冰架僅靠一道窄約6公里、尚未崩裂的冰塊保護,使其不至於進一步的崩解。由台灣福爾摩沙二號衛星於3月8日所拍攝的2公尺解析度彩色增揚影像(圖三)上可以看出,由於強烈的融冰作用與可能的狂風巨浪影響,寬約150公尺的狹長塊狀冰山不斷破碎斷裂成為房屋大小尺寸的冰塊碎片。詳細內容可參看美國國家冰雪資料中心(NSIDC)(科羅拉多大學環境科學研究所),英國南極調查所(BAS),與台灣國立成功大學(NCKU)地球動力系統中心聯合發佈之新聞稿(http://www.nsidc.org/news/press/20080325_Wilkins.html, 瀏覽於10 October 2009)。

我們使用這些資料來定義並測試了一個浮冰板塊崩解的模式,這是一種獨特的冰架裂解型式,如圖四所示。崩解的界定是由快速形成的多重裂隙產生平行於冰架邊緣的陝窄冰塊,並伴隨著這些陝窄冰塊的傾覆與破裂,導致向外擴張和碎冰形成。我們提出了一個浮冰板塊崩解的模式,其中浮冰板塊邊緣的彎曲應力是由浮力所產生,並在水體可自由流動的情況下引起向外脫離的崩解發生。高解析度的衛星影像和雷射高度計在崩解事件首先發生時提供了裂隙間距、冰塊厚度和板塊彎曲剖面的詳細資訊,和我們模式預測的結果相當吻合。我們建議表面和靠近表面融冰所產生的水是冰架崩解的前置條件,而水壓所產生的裂隙才是冰架崩解的主要機制。靠近水線的海水滲入所形成的海水層也可以支持同樣的機制,但效果比較差,除非在裂隙頂端冰塊局部應力型式足以貢獻造成破裂所需的淨應力(Scambos et al. 2009)。
Fig. 3. 由台灣福爾摩沙二號衛星於3月8日所拍攝南極半島「威爾金」冰架崩解區域之2公尺解析度彩色增揚影像。由於強烈的融冰作用與可能的狂風巨浪影響,寬約150公尺的狹長塊狀冰山不斷破碎斷裂成為房屋大小尺寸的冰塊碎片(取自http://www.nsidc.org/news/press/20080325_Wilkins.html, 瀏覽於10 October 2009)。
Fig. 4. 冰塊板塊邊緣應力分佈示意圖,以及冰塊板塊在水體可以或不可以自由流動的兩種情況下所產生的反應。取自(Scambos et al. 2009)。

References
Jezek, K.C., Cars, F., Crawford, J., Curlande, J., Holt, B., Kaupp, V., Lord, K., Labelle-Hammer, N., Mahmood, A., Ondrus, P., & Wales, C. (1998). Snapshots of Antarctica from Radarsat-1. In, IGARRS'98 (pp. 1428-1430)
Kargel, J.S., Abrams, M.J., Bishop, M.P., Bush, A., Hamilton, G., Jiskoot, H., Kaab, A., Kieffer, H.H., Lee, E.M., Paul, F., Rau, F., Raup, B., Shroder, J.F., Soltesz, D., Stainforth, D., Stearns, L., & Wessels, R. (2005). Multispectral imaging contributions to global land ice measurements from space. Remote Sensing of Environment, 99, 187-219
Liu, C.-C., Chang, Y.-C., Huang, S., Wu, F., Wu, A.-M., Kato, S., & Yamaguchi, Y. (2008). First space-borne high-spatial-resolution optical imagery of the Antarctic from Formosat-2. Antarctic Science, 20, 605-606
Liu, C.-C., Chang, Y.-C., Huang, S., Yen, S.-Y., Wu, F., Wu, A.-M., Kato, S., & Yamaguchi, Y. (2009). Monitoring the dynamics of ice shelf margins in Polar Regions with high-spatial- and high-temporal-resolution space-borne optical imagery. Cold Regions Science and Technology, 55, 14-22
Scambos, T., Fricker, H.A., Liu, C.-C., Bohlander, J., Fastook, J., Sargent, A., Massom, R., & Wu, A.-M. (2009). Ice Shelf Disintegration by Plate Bending and Hydro-fracture: Satellite Observations and Model Results of the 2008 Wilkins Ice Shelf Break-ups. Earth and Planetary Science Letters, 280, 51-60
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