超酷职业：三个科学家的冰雪奇缘
给孩子最好的科学教育
各种各样的雪花。图片来源：NOAA
作者 Beth Geiger
编译 寒冬
一提到雪，我们首先就会想到冷，很大的雪让人行走不便，甚至造成交通事故——但另一方面，雪又带给我们无穷的乐趣，我们在冰天雪地里打雪仗、推雪人。雪也带给我们无穷的乐趣。但是你知道吗？它们还可以是科学研究的极佳对象。
雪花看似普通，科学家却能在冰雪中获得惊人的信息。有的科学家从古老的冰中发现引人注目的气候故事；有的科学家，通过研究雪花发现风暴和天气的更多细节；还有科学家研究另一个世界的雪，在遥远的行星或卫星上，那里的雪或许隐藏着更加惊人的秘密。让我们来认识一下这三位科学家，他们都在研究雪，不过原因各不相同。
格陵兰岛东部，Bruce Vaughn 在自己帐篷里向外放眼望去，除了冰和雪，他再也看不到其他什么东西了。冷风一直在吹，即使在最“暖和”的日子里，温度也只有 －8℃。不过他一点也不介意，寒冷只是研究中的家常便饭而已。 Vaughn 是美国科罗拉多大学北极与高山研究所（INSTAAR）的冰川学家，他和其他10个科学家会在这个偏远的冰盖上驻扎数周时间。
这儿的降雪几乎不会融化，而是不断累积。新的雪覆盖住之前的雪，逐渐形成冰。科学家用专门的工具钻入厚厚的冰层，获得长长的、圆柱形的样本，这叫做“冰芯”。在冰盖的最底部，580米深的地方，他们可以获得12万5千年前的冰。
冰中含有气泡，雪在堆积形成冰的过程中将空气困在冰里形成气泡。这些小气泡里包含了古代地球气候的重要线索。“冰里的气泡封存了远古的空气，将它们带到今天，" Vaughn 说。
在过去 150 年中，人类向大气中释放了大量的温室气体（如二氧化碳），引发气候变化。“我们对气候的产生了巨大影响，这是前所未有的，” Vaughn 说。通过对冰芯的分析和测量，Vaughn 和地球化学家、气候学家一起，可以推断数万年前甚至更早的大气状况。
Vaughn 的科学生涯混合了三种激情：户外运动，喜欢使用工具以及地球科学。他工作的时间分为两种：待在实验室里，或是刺骨严寒的野外。
在偏远的地方建立营地之前，Vaughn 和其他科学家首先要从格陵兰岛东部的基地整理所需的物品，这包括科学设备、食物以及其他生活用品。他们还要花时间驱赶北极熊。他们使用极地飞机，花了数次才将重达18吨的货物运送过去。当然，最后他们也要把自己送过去。
每天，团队都会向下钻到更深的地方以获取冰芯。然后冰芯会被冷冻保存，用飞机送到的实验室里进行分析。
在冰芯里，科学家可以看到季节变化的痕迹，比如夏季冰雪融化，形成独特的结构。每层都标志着一年的降雪，就像是树的年轮。在实验室中，Vaughn 会对每年的冰层作记录，然后用质谱仪测量气泡中氧和氢的同位素。同位素属于相同元素但却原子质量不同。同位素的丰度根据温度变化。“在雪降到地面上的时候，这些同位素揭露了当时的平均温度，” Vaughn 解释说。从这些信息中，他可以知道数千年前的气温。
冰芯中还包含了古代气候的其他信息。将不同的冰层相比较，可以可以看出它们厚度的区别，这反映了一年中降雪的多少。较暗的层中包含灰烬，这可能来自火山喷发，或是森林大火，而且科学家可以通过分析找到它们的源头。一旦科学家知道了这些灰烬从何而来，他们就能研究当时的风如何运动。科学家也会将格陵兰岛的冰芯与其他地方的冰芯进行比较，比如南极洲的冰芯。这样可以在更大范围对气候进行研究，以及地球的气候如何变化。
Vaughn 已经参加了13次冰雪远征，而且还期待更多的征途。“每次钻取的冰芯，我们都会了解到独特和振奋的知识，”他说，“我太喜欢这种寒冷了！”
Vaughn 可能很喜欢寒冷，不过德克萨斯州大学奥斯汀分校的物理学家 Krista Soderlund 却喜欢在舒适的办公室里研究冰雪。
Soderlund 研究的冰雪比格陵兰岛可要远得多，她偏爱欧罗巴（木卫二）上的雪。欧罗巴是木星的卫星，距地球约7亿公里。
图片来源：NASA
欧罗巴表面完全由冰层覆盖，它看起来就像是光滑的白色球体，上面布满了红色的裂痕。美国宇航局（NASA）的伽利略探测器曾在1995年飞掠欧罗巴附近。从它传回的图片来看，欧罗巴的冰层之下可能存在海洋。更有意思的是，科学家认为欧罗巴可能孕育了生命。“我们知道那是个超级有趣的地方，” Soderlund 说。
图片来源：NASA
Soderlund 对于欧罗巴冰层下发生的事情特别感兴趣。会不会有温暖的水穿过冰层？一些冰层是不是漂浮在看不见的湖上的冰山呢？对这些问题的回答，将揭露更多秘密，比如热量如何运动，还有，这些热量是否会影响到上面可能存在的生命？
画家想象图。探测器使用雷达探测冰层下隐藏的结构。图片来源：NASA
为了找到答案， Soderlund 正在研究一种新的雷达工具。雷达使用无线电波来研究物体。“雷达很适合研究水。雷达可以发现冰层中隐藏的湖，如果这些湖存在的话，“她说，“雷达也可以帮助测量冰层的厚度。”
在2015年， Soderlund 的研究项目得到了很大的推进。这个雷达被美国宇航局选中，将会近距离造访欧罗巴。美国宇航局的太空探测器预计在本世纪20年代发射升空，载着她的雷达和其他8个科学仪器飞向欧罗巴。可能要花费3年到7年的时间才能抵达欧罗巴。
飞船在大概几年以后发射，即使是这样，科学家也毫不松懈。目前已经有至少150位科学家参与到这个仪器的工作中。“还有更多的人，在为飞船做准备，” Soderlund 说。这是一个巨大的科学项目，需要大量的沟通与合作。
Soderlund 小时候曾看过极光。从那以后，她就对太空无比好奇。对她来说，研究欧罗巴上的冰雪实在是一个超酷的梦想，并且正在一步步实现。
让我们回到地球，雪花正从犹他州的天空飘舞而下。雪花慢慢积累，将这里堆积成滑雪爱好者的天堂。整个冬天，著名的阿尔塔滑雪场都有很多滑雪爱好者，热闹非凡。
Tim Garrett 也来凑热闹了，不过他不是来滑雪的。Tim Garrett 是美国犹他大学的大气科学家，他对暴风雪以及预测暴风雪很感兴趣。
对 Gerrett 来说，雪花提供了许多暴风雪以及雪花形成位置的信息。雪花的形状如何形成，它们的朝向，重量是多少，降落有多快？ Gerret 说，如果能够得到这些信息，就能对暴风雪进行更深入的研究。
图片来源：K. Libbrecht
雪花开始于云中的小水滴。在变成雪之前，这些小水滴需要凝结核才能结冰，尘埃颗粒就是一种凝结核。没有凝结核，水滴可以在远低于冰点的温度依然保持液态，甚至形成－40℃ 的过冷水。一旦形成了冰晶，其他冰晶就会附着在上面形成雪花。很少有雪花会像照片那样完美。“实际上，六边形的雪花相当罕见，大部分真实的雪花比这复杂得多，” Garrett 说。
Garrett 想要在雪花下落过程中就拍到它们的样子，赶在它们融化、受到挤压或是凝结成团之前。但问题是，没有这样的相机能实现这样的功能。所以他和同事一起发明了这样的相机。“我们花了数年时间来开发这个相机，遇到了真正的挑战，”他说。运动传感器对最小的雪花也要有足够的灵敏度。为了能对下落中雪花得到锐利的图像，相机快门必须要非常快，快至 1/40,000 秒，同时还要让足够的光线进入相机，避免画面太暗。
Tim Garrett 使用复杂的相机给下落的雪花拍照。
图片来源：D. Smith
最终他们成功了。“我们的相机可以自动地从多个角度拍摄高像素照片，同时能测量雪花下落的速度，这样的相机是从来没有过的，” Garrett 自豪地说。它可以揭露出雪花精细的三维结构。
图片来源：T. Garrett
Garrett 知道，只有将这些相机安装在滑雪场才有意义。有电梯通往不同的海拔高度，可以将相机安装在那的建筑上。他把第一个相机安装在滑雪场工人住宿地外边。但是，第一个暴风雪来袭的时候，相机的闪光灯不停地闪光，让工人误以为有东西爆炸了。Garrett 只好把相机放在了一个无人居住的建筑外边。现在，第二个相机已经安装在了高高的山上。每次暴风雪，两个相机都能拍到上万个雪花图像。
Garrett 的特制相机使人们开始关注暴风雪。相比其他的数据如风向和雷达图像，雪花的数据让科学家对暴风雪有了更加完整的了解。这会帮助科学家更准确地预测暴风雪及其影响。
结霜的过程使一些雪花看起来更圆。云中无数的小水滴将雪花包裹起来形成的小球状雪花称作“霰”。
图片来源：T. Garret
比如，Garret 说，剧烈的、深的、包含更多湍流的暴风雪所形成的雪花上会有更多的霜。霜状冰在快速结冰的条件中形成。“这种暴风雪的雪花会在空中漂浮很长时间，并聚集数千个细小的水滴。最终，这些雪花看起来有些像冰雹。”而平缓的、浅的暴风雪则会形成毛绒绒的雪花。
即使这样，Garrett 说，“这些规则看起来简单，但往往并不管用，而且我们还不知道为什么。”
在阿尔塔滑雪场，Garrett 带上装备乘上缆椅，去山上检查相机。对他来说，从天上飘落的细小冰晶是如此的美妙迷人。
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