南极的美国和北极的俄罗斯

贺飞 北京大学

近年来，极地的科研越来越重要，特别是在外交、地球物理、气候变化和宇宙起源等方面发挥着重要的作用。2015年8月14日的《科学》上同期的两篇文章[1][2]分别介绍了美国在南极和俄罗斯在北极的相关活动。我们来看看美俄在极地研究都干些啥？

南极的美国：开展大规模科研活动

近期，美国科学院公布的一份新研究报告[3]得出结论：美国南极研究需要更新调整计划及更好的设备，但投入仍是一个难题。这份报告是美国科学基金会（NSF）项目进行的第三次组织的对其资助的美国南极计划的5年主要评估，评估是在预算收紧和仪器成本攀升背景下开展的，旨在梳理相关研究并提高效率。评估建立在2011年国家研究理事会的报告基础上，2011年报告识别了南极和南部大洋的未来重要研究领域。这一次，科学基金会要求委员会给出南极大陆未来十年研究的战略愿景，识别特定的研究优先领域，并考虑计划的后勤保障需求。由于南极生存环境极端恶劣，南极科研成本也高于其他地方，仅NSF及其极地计划局每年就大约投资7000万美元的科研和大约2.55亿美元的基础设施和后勤保障。

美国科学家早在1830年就踏上了南极大陆。美国自1956年以来对南极的科考从未间断，并于1959年正式出台“美国南极计划”（United States Antarctic Program，USAP)，其宗旨为“促进与其他国家在南极的考察合作、保护南极环境、保证公平科学地利用南极资源”,并指定美国科学基金会（NSF）负责管理美国对南极的所有考察和科研活动。美国认为其南极研究的目的有三：了解南极大陆基本情况及南极的生态系统；研究南极对全球变化的影响以及反应；以南极为平台，研究地球大气层以及太空环境。从其科研领域所涉及的学科来看，包括天文学、大气科学、生物学、地球科学、环境科学、地质学、冰川学、海洋生物学、海洋学和地球物理学等10多个学科。

美国在南极建立的常年科考站有3个，此外在每年南极夏季期间还会在一些地点建立夏季考察营地。位于南极罗斯海西南角罗斯岛上的麦克默多站规模最大，也是各国南极考察站中最大的一个。该站夏季时最多超过1000人，冬季时最少也有200人左右，是美国在南极考察的枢纽。建于1970年代的阿蒙森斯科特站位于南极点附近，主要开展天文学、天体物理学和气象学等方面的研究，人员在100到240人之间。位于南极半岛西岸的昂维尔岛帕默考察站最小，主要进行海洋生物学等学科的考察研究，考察站人员在10到40多之间。NSF极地计划局统计数据显示，每年有3000多名包括美国科研人员和后勤支持人员到南极开展科学考察和研究活动。美国南极科研主要由来自美国大学和科研机构的科研人员进行，大家可向NSF竞争申请南极科研经费。南极考察和科研的运行、技术和后勤等支持则是由一些建站承包商以及政府相关部门负责保障。

   除NSF外，美国航空航天局（NASA）在2014年11月宣布启动一项为期6年的“冰桥行动2014”南极研究计划，研究目标是观测南极大陆冰盖、冰川和海冰变化。这是迄今为止规模最大的地基冰川航空测量计划，旨在利用多源航空遥感传感器（包括机载激光雷达）获取南北极的对地观测数据，揭示地球南北极变化与全球变化的相互作用机制，计划利用航空测量数据绘制南北极地区所有冰层、冰架和海冰分布的三维地图。

   一直以来，美国的南极研究是由科学家的好奇心驱动的研究，没有设定优先方向。美国科学院的这份研究报告采纳了超过450名南极研究科学家的意见，除了继续开展科学家驱动的“核心研究计划”外，提出设立3项优先研究计划：冰盖变化计划将研究回答什么造成南极的冰损失和其未来走向，以及其如何贡献海平面上升。南极基因组计划将观察适应这一地区极端条件的独特生物，研究其在变化的环境中是如何改变的。下一代宇宙微波背景(CMB)计划将深度探测宇宙的起源，相关的研究已在南极点的BICEP望远镜上展开（这一计划还将包括智利的望远镜）。

   报告的研究委员会在选择这些优先方向时，主要考虑那些引人注目的科学问题、有潜在的高社会影响以及国内国际合作潜力巨大的项目；而不考虑那些需要太多资源的计划，如后勤保障需求巨大的第二代IceCube中微子观测站的建设计划等。美国这一优先计划同由来自22个国家的科学家和决策者组成的南极研究科学委员会（SCAR）2014年在《自然》[4]上列出的6个优先研究方向十分接近。

   美国南极研究和基础设施更新耗费巨大，预算尽管巨大，但相对其规模来说也是十分有限的。如何在三个新提出的主题驱动项目和以前的科学家驱动项目之间分配经费将是NSF南极项目的一个挑战。NSF在2012年召集专家识别了南极基础设施需要更新的几个领域[5]，新报告进一步强调这一需求的紧迫性，如更好地天气预报、改善抵达大陆深处站点的陆地和空中交通以及更强大的信息技术能力。南极点站的数据传输能力已经落后，下一代CMB计划将进一步加大站点的带宽需求。此外，还有船只保障，例如美国目前在南极仅有一艘40年船龄的“极地之星号”重型破冰船。

   北极的俄罗斯：忙于控制北极海床

俄罗斯8月3日发表声明，认为北极海底罗蒙诺索夫山脊和大致平行的阿尔法-门捷列夫山脊都是俄罗斯大陆架的延伸，因而拥有北极点附近的120万平方公里海床，并提交一份新的海底地图，给出120个岩石样品的分析，其中包括采自门捷列夫山脊的玄武岩，来支撑这一声明。这样一来，有关北极海床所有权的斗争白热化，其他北极国家如丹麦已宣称拥有俄罗斯声称领土的部分区域，加拿大也计划提交领土重叠的声明。

这些相互竞争的声明在一定程度上也推动了相关的研究工作，因为1994年生效的《联合国海洋法公约(UNCLOS)》将领土声明同海底地质的精细构造联系起来。目前法律允许每一海岸国家控制一个从海岸线延伸370公里的专属经济区(EEZ)。但如果一国能提供地质研究证明其大陆架从其海岸向海底倾斜并越过专属经济区，那么该国便可以极大地扩充其海底资源声明（包括石油、天然气和矿藏，但不包括水体海洋生物)，可额外得到278公里。这一“大陆架延伸”规定可以令澳大利亚和新西兰等国扩展其海床边界达50%。俄罗斯，加拿大，丹麦和挪威等北极国家也正在谋求类似利益(美国尚未批准UNCLOS不能参与)。

其实，俄罗斯早在2001年就通过研究后声称拥有大块的北极海底，伸展到北极点，提出罗蒙诺索夫和门捷列夫山脊两个水底山范围是其大陆的延伸。但在2002年，由21名技术专家组成的联合国大陆架划界委员会在评估这些声称背后的科学性后，建议俄罗斯修改后再提交[6]。联合国这一决定加速了北极国家对北极海床的绘图和采样研究，令地球科学家非常高兴[7]。装备有声纳和地震绘图系统的船只，利用声波绘制海底地图，在温暖的冰开的夏季交叉往来于北极。挪威也给出这种数据来支持其成功的2009年大陆架声明。丹麦去年联合格陵兰岛(由丹麦代行外交事务)认为对分北极的罗蒙诺索夫山脊是格陵兰岛大陆架的延伸，他们据此声明拥有895,000平方公里的海床，延伸过了北极点到达俄罗斯和加拿大先前声称的区域。

  科学家对北极点领土竞争是欢迎的，因为可以增加研究北极海床的经费。目前，相关国家都在围绕长期存在的问题在北极开展研究，如山脊系统是大陆的一部分还是洋底壳。支持门捷列夫山脊是大洋壳的一部分以及支持罗蒙诺索夫山脊是源自大陆的结论都存在，大家都想将相关结果提交给联合国专家组。其实专家组仅提供咨询意见，最终决定海洋边界的人还得是凭借各国实力的各国的外交官。

参考文献：

[1]Gramling, C (2015) 'Report sets new goals for U.S. Antarctic Program' Science349 (6249) 676

[2]Laursen, L (2015) 'Russian claim heats up battle to control Arctic sea floor' Science349 (6249) 678

[3]National Academies of Science, Engineering, and Medicine. 2015. A Strategic Vision for NSF Investments in Antarctic and Southern Ocean Research. Washington, DC: National Academies Press.

[4]Kennicutt, M C, Chown, S L, Cassano, J J, Liggett, D, Massom, R, Peck, L S, Rintoul, S R, torey, J W, V, Vaughan, D G, Wilson, T J and Sutherland, W J (2014) 'Polar Research: Six priorities for Antarctic science' Nature512 (7512) 23-25

[5] Gramling, C (2012) 'Needed Antarctic Upgrades Would Trim Science Budget' Science337 (6093) 397-398

[6] Malakoff, D (2002) 'Nations Look for an Edge in Claiming Continental Shelves' Science298 (5600) 1877-1878

[7] Krajick, K (2007) 'Race to Plumb the Frigid Depths' Science315 (5818) 1525-1528

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