北半球风力会减弱,千里之遥候鸟靠什么定向识
分类:数理科学

美国科罗拉多大学研究人员不久前在《自然·地球科学》期刊发表最新研究成果,指出全球变暖或将对世界范围内的风能资源分布产生深远影响。到本世纪中后期,北半球可供利用的风能资源将大量减少,南半球一些地区风能资源则可能急剧增加,风电开发潜力整体向南转移。 1.风能资源分布或向南半球转移 极地冷,赤道暖,南北半球中纬度地带常年盛行西风,也叫热成风。这一道风带中,平均风速比其他地方更大,聚集了大量的风能资源,并覆盖了包括中国在内的北半球许多国家。在气候变化的背景下,中纬度西风带的变化会直接影响风能资源的利用潜力。 美国科罗拉多大学的最新研究成果认为,全球变暖或将对世界范围内的风能资源分布产生深远影响。到本世纪中后期,北半球可供利用的风能资源将大量减少,南半球一些地区风能资源则可能急剧增加。 研究人员利用超级计算机的模拟结果,对未来两种不同的温室气体排放情景下风能资源的演变进行探讨。第一种是中等排放情景,假定碳排放量在本世纪中叶达到最高,随后保持稳定;到本世纪末,大气中二氧化碳浓度约为目前浓度的1.5倍,全球平均气温增暖1.1至2.6摄氏度。第二种是高排放情景,对应能源结构改善缓慢、缺乏气候应对措施的发展模式,碳排放量将持续增加,大气中二氧化碳浓度在本世纪末超过当前3倍,全球气温升高2.6至4.8摄氏度。 结果显示,无论在中等排放情景还是在高排放情景下,北半球的风能资源都将整体显著减少,尤其是包括中国西北、西伯利亚、东北亚、美国、加拿大、英国、地中海沿岸等在内的中纬度地区,即沿北半球西风带一线。在高排放情境下,到本世纪末,内蒙古至东北一带的风能资源甚至将减少10%到20%。 南半球的风能资源在中等排放情景下变化不大,在高排放情境下却将整体大幅增加。尤其在高排放情景下,到本世纪末,巴西东部和澳大利亚东北部的风能资源将迅猛增加超过40%。 2.原因在于南北极增暖幅度不同 这种差异的产生,或归根于全球变暖以不同方式影响南北半球的风带演变。在北半球,北极增暖与海冰消融是一个互相促进的正反馈过程,以至于在全球变暖的大背景下,极地增暖更为明显;于是,赤道与极地之间的温度梯度被削弱,中纬度西风带风速整体减小。一些模拟结果也指出,由于高纬度增暖显著,中纬度地区南北侧的冷暖对峙减弱,风暴系统的活动整体减少,也是风能资源减少的一个原因。 而在南半球,尤其在高排放情景下,南极增暖不如南美中部、非洲南部和澳洲的陆上增暖明显。这部分大陆与同纬度海洋间的温度梯度增大,成为主导风带强度变化的因素。陆地变暖更快,陆上热低压增强,海陆气压梯度增大,风速增大,风能资源因此增加。除南极洲外,南半球大陆主要分布在热带和副热带地区,所以整体风能资源的增加也以热带和副热带最为明显。而值得一提的是,在南美和澳洲的中高纬地区,风能资源仍趋于减少,和北半球类似。 3.北欧极端大风出现几率反而增高 西风带内常见南北冷暖气团的对峙,又叫锋面。如果大气中有小扰动发生,譬如某一方气团主动移向另一方,气团运动轨迹在地转偏向力的作用下发生偏转,就会诱生出大尺度的大气涡旋,又叫锋面气旋。从气候角度而言,锋面气旋频繁发生并通过的地区,便是“位于风暴轨迹上”的地区,平均风速也通常比其它区域更大。 但想要利用风能,并非风越大越好。极端的猛烈阵风反而会对风车造成破坏。风车的设计一般基于能应对若干年一遇的最大风等等标准,这个标准跟当地气候背景的统计数据直接相关。 科学家们使用超级计算机对北欧的模拟结果表明,若全球气候变暖,中纬度的“风暴轨迹”会整体向北移动,锋面气旋的数量会减少,但单个风暴的强度增强。由此一来,北欧地区的极端大风出现频率会升高,强度也会增大。这对按过往气候数据标准设计的风车而言不是好消息,也意味着新建风电场必须考虑在将来承受更强的风暴袭击的可能性。 与可能增大的极端大风相对应,海上的极端大浪也会随之增大。对北大西洋未来风浪演变的研究表明,目前“20年一遇”的大浪,在2080年可能每4至12年就会出现一次;对欧洲北海的气候模拟显示,到21世纪末,海浪平均高度会上升5%至8%。由于陆上空间有限且摩擦阻力更大,海上风力发电正是当下发展的热门方向;而风和浪的双重考验,对中纬度地区近海风电场的建造提出了新的挑战。不过,在纬度稍低的地区,譬如地中海沿岸,由于风暴轨迹朝北移动,未来气候展望中的风浪反而会减小。 4.增暖对于高纬度地区是把双刃剑 在高纬度或北极地区,寒冷的天气是阻碍风能发电推广应用的一个原因。风车叶片暴露在零下温度的潮湿空气中存在结冰的风险,而一旦结冰,叶片将失去平衡、阻力增大,风电转换的效率将因此降低,而且存在安全隐患。据统计,在芬兰,9%-45%的风车停转事件都和结冰有关。当然,设计不易聚集冰雪的叶片、使用电流加热等方法,能一定程度上克服结冰的问题,但这也会让运行和维护的成本变高。 气候变暖对于这些地区而言可能是一个好消息。超级计算机模拟结果显示,无论假设的升温是大是小,在本世纪末,高纬度地区的霜期均会明显缩短,结冰频数大幅下降。在斯堪的纳维亚半岛的一些地方,结冰频率甚至将会下降100%。与此同时,由于风暴轨迹北移,高纬度带也会更频繁受锋面气旋系统影响,潜在风能资源变得更充足。于是,一些原本不适宜布局风电场的区域,将来可能成为开辟风能资源的新领地。 与气温上升相对应,高纬永冻土地带也会因而缩减,而这会带来利弊两方面的影响。一来由于冻土层的范围和深度减小,输电线路铺设、风电场建造等会变得更加方便;二来若冻土层持续消融,风车基座如何设计也成了问题,因为风车和土壤之间的受力和支撑关系将持续改变,稍不平衡就会有倒伏的风险。如何权衡其中得失,减小风险扩大效益,还得靠工程师们的智慧头脑。 不仅对陆上风电场,增暖对于高纬地区的海上风电场也有多重影响,尤其对海上风电场数量增长最快的区域——欧洲而言。对未来海冰演变的研究发现,北波罗的海及波的尼亚湾一带的海冰覆盖天数将从目前的130-170天减少到本世纪后期的0-90天,不少区域甚至将终年不封冻。而海冰减少会使海上风车的基座稳定性变差,且更易受到大风大浪的破坏。与此同时,海平面上升也会增加风车基座被淹没的风险。不过,冰川消融会使海水盐度降低,这将有利于减缓海水对风车基座和传输线路材料的腐蚀。 延伸阅读:酒泉等风电场潜力或下降 目前,世界最大的风力发电基地位于我国甘肃酒泉。截止到2012年,风电装机容量已超6000百万瓦特,相当于能供给英国全国的电力需求,而这一数字还在不断上升中。甘肃位于我国西北-蒙古地区风能富集带,常年风速较大,风能密度超过150瓦特每平方米,是我国投建风电厂的理想场所,也对当地就业、税收、经济发展起到了重要促进作用。若气候变暖持续,这一区域的风电潜力很可能随之下降,现有风电设备的潜力无法得到充分发挥。包括中国和美国两大能源消费巨头在内,北半球中纬度地带的许多国家都将面临同样的问题,这也将给人类节能减排目标的实现增添更多压力。 研究人员指出,当前风力发电能力的评估和布局大多基于过去的气候资料统计,而很少考虑受将来大气环流受人类活动影响发生变化后对风能资源分布的影响。新研究对未来风电厂布局的经济性和可持续性、为决策者衡量和规划替代能源的策略提供了新的参考。

科幻作品中的火星是一颗荒漠遍野、尘暴漫天的红色星球,缺水缺氧是正常态。 或许,也不应该说火星上没有水,只不过是没有液态水。一方面,火星的大气层稀薄,气压只有地球标准大气压的0.6%;另一方面,火星地表平均温度低至零下63摄氏度。所以,除了大气层中的极少量水蒸气外,火星上的水都以冰的形式存在。早在2002年,奥赛德号飞行器看到火星的两极覆盖着干冰和水冰混合而成的巨大冰冠。只不过,科学家给出的结论是这些冰冠的可开采性不大。说直白点就是:火星缺水! 如今,这一观念可能要改改,因为火星并不缺纯净且极易开采的水源了。 最新一期《科学》杂志传来好消息:美国一个联合团队在火星中纬度地区的8处陡坡发现了冰蓝色的崖面,这是因侵蚀而露出的地下冰层。这些纯净的地下冰最浅不过地下1到2米,厚度超过100米。 这意味着,火星的水资源其实相当丰富,且开采利用的难度不大。主导研究的美国地质调查局天体地质专家邓达斯(Colins Dundas)认为,火星地下冰的分布要比人类此前认为的更广泛,它们能作为分析火星气候变迁的重要信息载体,也可能作为人类的未来资源。 这也给火星登陆计划提供了新思路。正在帮助NASA研究火星登陆选址问题的科罗拉多矿业学院太空资源中心主任Angel Abbud-Madrid就激动不已,毕竟水是宇航员生存的必需物质,也能和火星大气中富含的二氧化碳反应生成可作燃料的甲烷。 未来数年,火星将迎来中、美、印、欧的多个登陆探测器。而“硅谷钢铁侠”马斯克的2030年火星殖民计划,更是将这一波“火星热”推向高潮。 不过,此次发现的8处冰崖分布在南纬和北纬55度左右的地区,冬季寒冷黑暗,人类无法在那里建立太阳能基地。科学家的建议是:火星游不用太着急!

春节过后,中国人完成了史上规模最大的人类“迁徙”,返回了工作岗位。候鸟此时也正忙着飞到繁殖地繁衍后代。然而与人类返乡不同,候鸟迁徙路途艰险,甚至可能有性命之虞,为何它们还要固执的冒死往返?又为何它们在迁徙途中能精准地找到所要飞往地区的方位和路线呢?这可能是近几十年困扰鸟类科学家最大的难题。 鸟类迁徙竟然是因为饿? 为了解释鸟类迁徙的原因,科学家们提出过不少假说,比如“南方起源”假说认为,鸟类起源于南方,然后被分裂的大陆带去了北方所以要飞回来;还有人提出,鸟类原本起源于高纬度地区,然后被冰川逼到了南方,冰川退去后为了重返北方才养成了迁徙的习性,即“北方起源”假说。这些假说虽然很有“游子还乡”的画面感,但都有各自的理论漏洞。 有的人从地球历史来考虑鸟类迁徙的起源问题,认为鸟类的迁徙习性起源于冰川时期。而冰川周期性的侵蚀和退却,使鸟类极易形成与之相适应的定期性往返的迁徙生物遗传本能,于是便世代相传形成习性。但此学说存在着一定的缺陷,它并不能解释为什么有的鸟类不迁徙,并且冰川期仅占鸟类生存历史的1%,如此短暂的时间,对鸟类遗传性的影响恐怕有限。 直到前几年,美国亚利桑那大学的两位科学家提出了一个非常简单的解释,为研究鸟类迁徙提供了新的思路。他们认为,鸟类迁徙的原因很简单,就是因为饿,说的专业点叫“季节性的食物缺乏”。 业内有名的鸟类观测学者、中国野生动物保护协会科考委员会副主任委员、沈阳理工大学环境学院生态研究室主任周海翔也认为,从现实来说,鸟类的迁徙动力最明显的就是食物诱惑。以北半球为例,他说,夏季北方适合鸟类的繁殖,而此时南方温度太高、人为活动影响也大,不适合大多数鸟类孵化幼鸟,而北方地广人稀,对鸟类来说安全性更好。但是到了冬季,鸟类面临着北方冰雪覆盖而找不到食物的生存难题,因此它们会选择南迁。 那么一些不迁徙的鸟如麻雀、乌鸦等就不存在食物短缺的问题吗?周海翔推测,这应该与不同鸟类需要的越冬和繁殖环境不同有关,特别是一些小型林鸟不迁徙的比较多,冬天它们可以靠寻找冰雪之上的草籽、浆果等充饥。 迁徙距离从不远万里 到一个山头? 同样是鸟类的迁徙活动,但迁徙的距离却长短不一。 往返于南北极之间的北极燕鸥迁徙距离长达1.8万公里,而克氏星鸦的迁徙仅仅发生在一个山头上,从高海拔到山谷只有区区几千米直线距离。这又是为什么呢? 周海翔认为,迁徙距离和物种关系较大。生活在内陆地区的鸟一般迁徙距离不会太远,但是在海岸线生活的鸟类迁徙路线最长可能跨越大洲,而生活在高海拔山区的鸟类,有些则是沿着雪线垂直迁徙,夏季往高海拔地区走,冬季往低海拔移动。 他进一步解释说,内陆繁殖的鸟儿在迁徙途中找到相适应的生存环境相对容易,而且在内陆地区,由于伴生现象的存在,人类投食、农耕后田地里残剩的颗粒、城市或乡镇的垃圾场、北方水电设施致使本该封冻的河流有了不冻的水域等因素都会导致一些鸟类不再迁徙。沿海岸线生存的鸟种以浅水中的生物为食,冬季北半球整个海岸线冻结,这些鸟类就会往南寻找不冻的海岸线越冬,要找到相适宜的海岸线,往往需要飞到大陆或海洋的另一端。而生活在高海拔山区的鸟类,由于它们生存需要的食物冬天可能被积雪覆盖了,只要到了低海拔区就能找到食物,因此也就没必要向更远的地方迁徙了。 迁徙途中鸟类 如何做到不迷路? 鸟类在迁徙过程中的定向导航机制被认为是整个鸟类学中最复杂的一个问题。 据周海翔的长期观测,虽然迁徙中确实有迷失方向的鸟儿,但大多数鸟儿无论怎么飞,总的大方向都不会错。那么鸟类飞在空中是如何定位导航的呢? 对于鸟类导航定向机制的研究,直到20世纪50年代才开始。目前,学界已有的定向假说主要包括两大类,一类是以陆地标志说和天体导航说为主的视觉定向假说,另一类是包括地磁定向说在内的非视觉定向假说。 陆地标志说认为,鸟类依靠迁徙途经的地形和景观如山脉、海岸、河流、森林和荒漠等为标记,以其特别发达的“视觉分析器”,视地形的凹凸特征来选择飞行方向,完成定向迁徙。但周海翔认为,陆地标志说并不能完全解释鸟类迁徙定位问题。“我们近几年跟踪的很多个体,都是直接跨海飞行走直线的,并不沿着海岸线飞,而在海上它们很难找到标志物。”此外,如果它们以陆地景观为标记,那么候鸟必须每次迁徙都走同一路线,但事实上它们每次迁徙虽然起点和终点相同,但走的路线都相差很远。而且它们在迁徙时是边飞边觅食,走走停停,一般情况与地面的相对高度也就一百米左右,以这样的高度要辨识几百公里外的目标,可能性应该不大。 天体导航说是由科学家在圆形笼内对欧洲苇莺进行实验得出的。科学家发现,欧洲苇莺、白喉雀等鸟类能根据夜空中星宿的位置定向。还有些候鸟则是白天以太阳、夜晚以星宿位置来导航的。 对此,周海翔认为,如果鸟类是在某个固定的时间迁徙,或许就能够依据太阳和星宿导航。然而,鸟类迁徙看起来好像是说走就走,主要是看气候条件,启程日期不固定、时间都没准儿,所以鸟类迁徙定位仅靠观天象并不准确。 既然鸟类靠视觉定位站不住脚,那会不会是靠其他来定位的呢?于是地磁定向说应运而生。 该理论认为,鸟类通过感知地理北极与磁北极偏角来确定经度,也就是说,在南来北往飞越数千公里的迁徙过程中,候鸟依靠地球的磁场来定位。信鸽就存在地磁场定向机制,它们即使在看不到星象的阴天也能正常返巢,但当给信鸽的头上加上一块具有特定极性的人工磁铁后,它就不能按照正确的方向飞行了。然而,有些鸟种是东西向迁徙的,例如遗鸥主要越冬地在天津以东的海岸线,但是它们的繁殖地是在西面的陕西榆林及内蒙古的鄂尔多斯。显然它们无法靠地球磁场定位。 周海翔说,目前对于鸟类迁徙有环志观察法,现在还能利用跟踪器进行卫星跟踪,可以知道更多鸟类迁徙途中的信息,但鸟类到底靠什么定位仍然没有科学的解释。

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