從北京出發(fā)，途經(jīng)美國西雅圖、安克雷奇，再從阿拉斯加的諾姆登船，穿越白令海峽，在北冰洋的海面上航行20天，只為尋找到一塊緯度適合、大小適合、厚度適合、硬度適合的冰，用以安置一種被稱為“冰基拖曳式海洋部面觀測浮標(biāo)（sITP）”的科學(xué)儀器。這就是我校物理學(xué)院董永軍老師今年8月3日至22日隨同韓國北極科考破冰船“ARAON”號赴北極圈進(jìn)行科研考察的主要行程和任務(wù)。
淺水浮標(biāo)——實現(xiàn)海冰數(shù)據(jù)長期連續(xù)觀測
sITP名字聽起來“高大上”，其實用途很簡單明確，它主要用于在北極冰蓋定期進(jìn)行冰上氣象數(shù)據(jù)和冰下海洋剖面數(shù)據(jù)采樣，通過衛(wèi)星通訊系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳回地面數(shù)據(jù)中心。
由我校參與研制的sITP的獨特之處在于它實現(xiàn)了無人值守條件下的氣象和水文數(shù)據(jù)的長期連續(xù)監(jiān)測。眾所周知，北極地區(qū)平均氣溫常年處于零下，冬季極夜氣溫更低。常規(guī)的北極考察活動多在夏季開展，而且不可能持續(xù)太長時間，所獲得的海冰觀測數(shù)據(jù)就十分有限。因此，應(yīng)用可長期連續(xù)監(jiān)測的sITP對間接分析北極海冰變化過程意義重大。
與目前國際上主流的用于極地氣候研究的深水型的浮標(biāo)不同，此次董永軍攜帶的sITP在獲取海平面以下10米內(nèi)的水文數(shù)據(jù)上優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的深水ITP在距離海面10米左右處需設(shè)有限位器以避免海冰厚度增加對水下浮標(biāo)系統(tǒng)正常工作造成影響。而sITP屬高強度電纜拖曳式水下剖面浮標(biāo)系統(tǒng)，可以上浮到冰底進(jìn)行剖面數(shù)據(jù)的測量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)北極地區(qū)海冰數(shù)據(jù)的長期連續(xù)觀測，從而為我國科研人員從事北冰洋海冰快速變化的研究提供寶貴的數(shù)據(jù)。
十年磨劍——應(yīng)用物理研究團(tuán)隊“破冰”而來
董永軍在北極成功布放sITP標(biāo)志著我校應(yīng)用物理團(tuán)隊在極地儀器低功耗系統(tǒng)設(shè)計、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)開發(fā)以及水下設(shè)備數(shù)據(jù)采集與通訊等方向已具備較強的研發(fā)能力。這一成果對于未來開發(fā)北極通用型多參數(shù)海冰浮標(biāo)、海冰通量浮標(biāo)以及海冰氣象站等綜合觀測系統(tǒng)將提供強有力的技術(shù)支持。
我校物理學(xué)院應(yīng)用物理研究團(tuán)隊涉足極地科考儀器研發(fā)可以追溯到十年前。當(dāng)時，團(tuán)隊和我校校友、中國海洋大學(xué)的趙進(jìn)平教授聯(lián)系，依托學(xué)校先進(jìn)能源技術(shù)研究所、吉林省先進(jìn)能源開發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新重點實驗室，共同開發(fā)研制了一套自動升降剖面測量儀，緊接著又陸續(xù)在冰面浮標(biāo)和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)儀器方面進(jìn)行了研發(fā)。正是這些前期研究為sITP的研制打下了堅實的基礎(chǔ)。
“科學(xué)研究不可能一帆風(fēng)順?！睋?jù)董永軍介紹，sITP在北極布放之前必須做全水深運行測試，而且sITP的每個研發(fā)環(huán)節(jié)也需要有一個合適的水域作試驗基地。為了尋找最佳的測試點，研發(fā)團(tuán)隊反復(fù)奔波于云南撫仙湖、吉林白山湖等全國多個試驗點進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實驗。為了取得可靠的數(shù)據(jù)，研究人員曾在白山湖邊連續(xù)蹲守10天。期間，遇上過大霧和雷雨天氣，通訊效果不理想，大家就等天氣轉(zhuǎn)好再試，最終才選定條件最接近的白山湖作為試驗基地，為儀器測試創(chuàng)造了條件。
從冰基水下剖面測量自動升降裝置，到海冰漂移浮標(biāo)，再到如今的冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)，研究一次次進(jìn)步，成果一步步“升級”，2016年6月，sITP投放白山湖測試成功。那一刻，在董永軍心中，對北極的“破”冰之旅更加充滿了期待。
“破”冰之旅——艱苦條件下的任務(wù)更有挑戰(zhàn)性
經(jīng)過10余天的航行與準(zhǔn)備，董永軍終于迎來最激動的時刻。當(dāng)?shù)貢r間8月14日，“ARAON”號停靠在Station 23附近的Ice Camp冰站，董永軍和同伴興奮地下船，扛著冰鉆在冰蓋上尋找作業(yè)點?？墒牵w上又硬又滑的薄冰讓人站立都難，更不用說背著沉重的設(shè)備行走了。
其實，在出發(fā)前，董永軍對在北極工作的困難是有準(zhǔn)備的，他還專門閱讀了《情系北冰洋》——一本關(guān)于北極的科普書?？墒?，真正到達(dá)北極后，他才發(fā)現(xiàn)這里環(huán)境之艱苦遠(yuǎn)超出想象。他和同伴在冰蓋上蹣跚行進(jìn)了大半天，才找到一個合適的作業(yè)點，一塊厚度近2米的冰層。可問題又接踵而至，帶來的冰鉆只有1米，需要連接幾個延長桿后才能鉆孔破冰。低溫下，用于固定延長桿的塑料鎖扣死死“縮”在桿上不肯“松手”。當(dāng)董永軍用了比平時多一倍的時間準(zhǔn)備好冰鉆時，人已凍成“冰人”，夾雜著堅硬雪粒的風(fēng)呼嘯著打在臉上火辣辣地疼。
除了條件艱苦以外，北極還充滿了危險。董永軍說，因為有鹽分析出，北極地區(qū)的冰中往往有無數(shù)的小空洞，同等厚度的冰層要比內(nèi)陸的承受力小，所以要盡可能選擇冰層足夠厚的地方走，同時還要遠(yuǎn)離冰脊、融池。融池看上去就像冰上的一汪水，實際上這一汪水下面可能是數(shù)百米深的冰洞。惡劣的條件和隨時可能出現(xiàn)的危險，讓科考工作異常艱難。“一樣的工作，在北極工作量可能翻幾倍，一天下來通常是累得倒床就睡。”董永軍說。
未到過北極的人，會期待這里的炫麗極光、可愛的北極熊，可是真實北極的荒涼也往往出人意料。整個科考過程中，除了危險和勞累，意志上的磨礪更考驗人。一望無際的北冰洋海面泛著黑光，沒有手機信號也沒有網(wǎng)絡(luò)，這時人會陡然生出一種與世隔絕的孤獨?！傲钊诵牢康氖牵?jīng)過一番努力，董永軍順利完成任務(wù)。“想起在北極大陸上揚起的國旗和東師校旗，一切辛苦都值了。”他說。
