探索南北极

Ø         课题组成员：洪亮、肖世伟、吴彬、罗征南、郑雯晴、陈洁琼

Ø         论文摘要：南北极地区埋藏着无数科学之谜，是科学研究的圣地，随着人类对地球环境的日益关注，南北极渐渐成为21世纪自然环境科学研究的前沿。尽管对它们的研究没有生命科学来得那么轰轰烈烈，但是南北极地区是地球的“保险锁”，在它们周围的任何一次巨大变化，都会对人类产生重要的影响，如冰川消融、南极上空的臭氧空洞等等。本论文由浅入深地对极地构造、生物、人文、环境气候、自然现象及未来作了比较具体的探索和研究。分为七个研究章节。

一、极地构造篇

（一）怎么分清南极和北极呢？

u       南极：假如我们从地球上各个不同的地方，沿着直线向正南方向前进，最后总会在一点相遇。这一点就上是南极点。南极点仅仅是一点。我们平时说的南极，却是一大片大陆。南极大陆是地球上最孤立、最偏僻的大陆，直到十九世纪，人类才发现了它，于是它就得了一个别名：第六大陆。

u       北极：很早以前，人们就懂得用北极星来辨别方向：无论你在什么地方，只要认准了北极星，面向它，就一定是面向正北。倘若你站在北极点上，仰望天空的北极星，你会发现：北极星恰好在头顶上。打开地图你会发现：北极圈以内，除了周围众多的岛屿和四周环绕着的大陆边缘以外，冰雪覆盖的极心地区，都是海洋，人们称它北冰洋。

（二）冰川的世界、雪的圣地

u       研究组的成员提出两个问题：南极的冰川是如何形成的呢？它的原料又是什么呢？

冰川是水的一种存在形式，是雪经过一系列变化转变而来的。要形成冰川首先要有一定数量的固态降水，其中包括雪、雾、雹等。没有足够的固态降水作“原料”，就等于“无米之炊”，根本形不成冰川。

冰川存在于极寒之地。地球上南极和北极是终年严寒的，在其它地区只有高海拔的山上才能形成冰川。在南极和北极圈内的格陵兰岛上，冰川是发育在一片大陆上的，所以称之为大陆冰川。而在其它地区冰川只能发育在高山上，所以称这种冰川为山岳冰川，如我们所熟知的喜马拉雅山脉。雪花一落到地上就会发生变化，随着外界条件和时间的变化，雪花会变成完全丧失晶体特征的圆球状雪，称之为粒雪，这种雪就是冰川的“原料”。

u       冰川不是稻草人，尽管不会说话，但是它会运动。

十九世纪初叶，在阿尔卑斯山上，有几个登山者不幸被雪崩掩埋在冰川粒雪盆里。当时有个冰川工作者推测说，过四十年后这几个人的尸体将在冰舌前出现。果然不出所料，四十三年后，这几个不幸者的尸体在冰舌前出现了，登山者同伴中的幸存者很快把尸体辨认出来。

l827年，有个地质工作者在阿尔卑斯山的老鹰冰川上修筑了一座石砌小屋。十三年后，发现这座小屋向下游移动了1428米。小屋本身是不会移动的，原来是小屋的地基-冰川向下运动，把小屋捎带着一起移动了。

（三）南极是一个还是两个？

这个问题让组员们产生了极大的好奇心！！

在开始对南极探险的时候，曾经有人认为：如果把南极水陆上的冰盖揭去以后，南极大陆很可能不是一个完整的大陆，而是一个群岛。

这种想法很难想象：在川流不息的海水之上怎么能有一个这样稳定而完整的大冰盖呢？有一个玛丽.伯德科学站的研究人员们，他们用钻机在冰上打了一个钻孔，一直打到两千多米的深处，才碰到了冰下的岩石。算一算，这各深度已经比海平面低多了。有人用回声测探测探仪测探冰原的厚度，发现有的地方的冰盖下面不是岩石，而是流动的水，水的下面，才时岩石。这些岩石也要比海平面低多了。经过20多年的测量，证明在罗斯海和威德尔海之间，存在着一个比海平面低得多的海盆。要是把冰盖揭去，南极大陆就会被分成两半。南极大陆不是一个，而是两个。

在海盆的东面，是一块完整的大陆，就是东南极。在海盆的西侧，是一群大大小小的岛屿，统称为西南极。在地质构造上，东西南极也有明显的区别。东南极是一块很古老的大陆。经过科学家们的推算，证实它已经有十几亿年的漫长历史。西南极形成的时间比较晚，在东南极已经形成的时候，这里是海洋，后来经过地壳运动，这岛屿才从海中升起。但是，从现在的情况看，南极的统一的大冰盖不会消融；东南极和西南极被冰盖连成了一块广袤无际的雪海冰原。所以，把南极洲画为一个完整的冰原大陆，也是符合实际情况的。

二、生物篇

南北极自由自在的飞禽动物---企鹅

到了南极看看企鹅是最有趣的一件事。

我们都在不同的媒体中见过企鹅，研究组想近距离观察它的生活！

我们想问：企鹅究竟有几种？它属于哪一类动物？企鹅之间有什么区别？它们都吃些什么？

现存于世的企鹅有18种，它们分别是小白鳍企鹅、白鳍企鹅、黄眼企鹅、麦哲伦企鹅、秘鲁企鹅、加拉帕戈斯企鹅、帝企鹅、王企鹅、阿德里企鹅、南极企鹅、巴布亚企鹅、史氏角企鹅、角企鹅、响弦角企鹅、马可罗尼角企鹅和直冠角企鹅。企鹅是海鸟中种类多、数量庞大的家族，它们对气候的适应也最强。多数人只对身穿"燕尾服"生活在南极冰原的王企鹅和阿德里企鹅比较熟悉，而对其他种类人类则知道得很少。其实企鹅家族中，有许多成员并不都生活在白雪皑皑的南极，有的企鹅甚至生活在温暖的亚热带地区，像加拉帕戈斯企鹅就生活在赤道附近的加拉帕戈斯群岛。企鹅分布的地区之广，可以说是任何鸟类都无法与之相比的，从南极冰原到福尔克兰兹的绿色牧场；从郁郁葱葱的新西兰海湾到长满仙人掌的加拉帕戈斯群岛，到处都有它们的踪迹。它们在零下25℃的严寒能够生活，在38℃的亚热带地区也能适应，世界上没有任何鸟类能够分布在如此广泛的气温带。

企鹅中个体最小的小白鳍企鹅是企鹅家族中的"侏儒"，它们成体的个头也只近似于其他种类的幼鸟。这种小个子的企鹅分布在澳大利亚。黄眼企鹅分布在新西兰，麦哲伦企鹅分布在麦哲伦海峡，秘鲁企鹅分布在秘鲁，加拉帕戈斯企鹅分布在南美赤道附近的加拉帕戈斯群岛，王企鹅和帝企鹅则是企鹅家族中的"巨人"，这两种企鹅一般体高1.2米左右，体重40多公斤，分布在南极及其周围岛屿。其他像阿德里企鹅、南极企鹅、角企鹅等也分布在南极及其周围岛屿。企鹅在海中主要捕食各种鱼类、乌贼和甲壳动物，所以人工饲养时也应及时喂以新鲜的鱼、虾、乌贼等。（左图为帝企鹅）

三、人文篇

爱斯基摩人的小雪屋

一提起爱斯基摩人和他们的小雪屋我们就更充满好奇啦！他们在那么冷的温度下是怎么生活的呢？他们的小雪屋不会融化吗？

在我们地球的南北两极，一些终年结冰的地方，由于交通运输十分不便，积雪是唯一最方便的建筑材料。世界最大的岛屿格陵兰岛，位于北极圈内。生活在这个岛屿北部的爱斯基摩人过着随时迁移的渔猎生活。为了适应这种生活习惯，真是靠山吃山，靠水吃水，他们就地取材，随心所欲地利用积雪作为建筑材料，建造起一座又一座令人赞叹的“爱斯基摩人小雪屋”。

   很多在北极寒风中冻得四肢发僵的探险家和旅行者，一踏进爱斯基摩人低矮的小雪屋，都曾用动人的笔调和喜悦的心情追述过小雪屋的温暖舒适。有的说象沙漠里的游子遇到了清泉，有的说象漂流的海船遇到了大陆。的确，那沁骨的寒冷已留在屋外，雪屋中央的北极白熊皮上，坐着雪屋主人的一家，旁边燃烧着一堆熊熊篝火，茶壶咝咝地喷出白色的蒸汽……停！停！！不想要命了，在雪堆里烤火！没事的！雪屋刚开始点篝火的时候，屋里的墙壁和天花板会融化一些，但融化的只是一小薄层而已。当墙壁和天花板上触化的薄层慢慢冻结成一层冰壳以后。篝火再也不能融化冰壳和冰壳外面的雪屋了。根据不少北极探险家的报道，这种小雪屋里的暖和情况，即使屋外气温达到-50℃，雪屋里的人却可以不穿毛衣。

四、环境、气候篇

对于热爱地球的人来说这两个问题是严峻的！我们想简要了解一下问题所在。什么叫温室效应呢？什么是臭氧层空洞呢？

（一）温室效应

什么叫温室效应呢？根据太阳辐射波的长短不同，可分为短波太阳辐射和长波太阳辐射。短波太阳辐射的能量不易被大气吸收，但长波辐射的能量却易被几种微量气体（如，水汽，二氧化碳，甲烷，一氧化二氮及氟氯烃）吸收。当太阳辐射到达地表时，地表吸收其能量而增温，之后，再以长波辐射向大气发射，大气中的微量气体吸收这种长波辐射后增温，并且再向地表发射长波辐射，使近地面大气升温，这种现象就叫温室效应，这些微量气体又叫温室气体。打个比方，这些温室气体的作用像温室的玻璃一样，既能吸收太阳和地球表面发射的长波辐射能，又能把吸收到的这些长波辐射能反射到地球表面，升高气温。

另外，影响气候变化的内因与外因之间也会有相互作用。例如，南极大陆周围冰覆盖面积的变化（内因），必然影响太阳反照率，从而强迫改变了太阳辐射平衡值变化；再如，温室气体增加，使得气候变暖（外因），促使南极大陆及其四周的冰消融，改变地-气系统内的地表状态（内因）。看来，影响现代气候变化的因素复杂多变，且各因素之间相互作用巨大，增加了预测气候变化的难度。

（二）臭氧层空洞

什么是臭氧层空洞呢？所谓臭氧洞，是指包围地球的大气圈中臭氧总量的极低值区域；人们形象地将它比喻为大气圈的臭氧层中出现了洞穴。所谓臭氧层，是指高度在20公里～30公里上空，围绕地球的一圈含臭氧量较高的薄层，它有吸收太阳紫外线的作用，可以防止过多的紫外线透过大气层直达地面，伤害地球上的生物。

对南极臭氧洞形成原因的解释有三种，即大气化学过程解释，太阳活动影响和大气动力学解释。其一，大气化学过程解释，认为臭氧层中可以产生某种大气化学反应，将3个氧原子含量的臭氧（O₃）分解为分子氧（O₂）和原子氧（O），从而破坏了臭氧层；其二，太阳活动影响解释，认为当太阳活动峰年（即太阳活动强烈的时期）前后，宇宙射线明显增强，促使双电子氮化物（如NO₂）与O₃发生化学反应，使得奇电子氮化物（如NO₃）增加，O₃转换为O₂；其三，大气动力学解释认为，初春，极夜结束，太阳辐射加热空气，产生上升运动，将对流层臭氧浓度低的空气输入平流层，使得平流层臭氧含量减小，容易出现臭氧洞。

一般认为，在人为因素中，工业上大量使用氟里昂气体是破坏臭氧层的主要原因之一。通常，氟里昂是比较稳定的物质，然而，当它被大气环流带到平流层（16公里～30公里）时，由于受太阳紫外线的照射，容易形成游离的氯离子。这些氯离子非常活泼，容易与臭氧起化学反应，把臭氧（O₃）变成氧分子（O₂）和氧原子（O），从而使臭氧总量减少，形成了臭氧洞。本来，在离地20公里～30公里的大气层内，是臭氧集中分布的地带，称作臭氧层，太阳辐射透过这层大气时，大量的臭氧吸收了波长较短的紫外线辐射（0.20微米～0.30微米波段），大大减弱了到达地面太阳辐射中的紫外线强度。然而，若臭氧层的臭氧含量大大减少，则吸收太阳紫外线辐射的能力减弱，到达地面的太阳辐射强度会增大。从医学上来说，较短波的紫外线辐射杀伤能力最大，能杀死细胞，破坏生物细胞内的遗传物质，如染色体、脱氧核糖核酸等，严重时会导致生物的遗传病，产生突变体，导致人类的皮肤癌。强烈的紫外线还可以穿透海洋10米～30米，使海洋浮游植物的初级生产力降低四分之三左右，抑制浮游动物生长。人们一旦了解了臭氧洞的危害和形成原因，相信会对臭氧洞演变的预测和防止提出新的理论和方法。

（三）酸雨

南极和北极也有酸雨。

地球的南极和北极,终年冰雪,罕见人至,但80年代,挪威科学家在北极圈内大面积地区都测到酸雨(酸雪)。哪儿来的?他们认为是前苏联南部工业区排放的大气酸性物质, 随气流,几千公里飘移到此地。后来在南极地区也有人曾收集到pH为5.5的酸性降水。这些酸性降水所含的酸性物质,可能来自更远的距离。看来,酸雨不但没有国界, 也没有洲界。

中国南极长城站测到酸雨.1998年上半年, 中国南极长城站八次测得南极酸性降水, 其中一次pH值为5.46。有趣地是, 当刮偏南风或偏东风时, 南极大陆因为没有人为排放, 大气是新鲜的, 所以测得降水的都接近于中性；当刮西北风时, 来自南美洲和亚太地区的大气污染物将吹到中国南极站所处的南极半岛, 遇到降水, 形成酸雨。这说明: 南极也不是“净土” 。

从酸雨到毒雪.酸雨给人类敲响了警钟。90年代科学家又在冰雪世界的南极和北极收集到了含有有毒农药成份的“毒雪”。“毒雪”形成与酸雨或酸雪形成过程极为相似。也是人类活动，使用人造的农药到田间,杀虫增产，但农药却进入了环境；也是通过大气远程传输；也是在高空中，污染物被雨雪冲刷；也是最终降落地面,危害人类。由“酸雨”,发展到“毒雪”，如此严重的环境恶化趋势，能不令人类反省吗?!

五、极光篇

我们已经在课文中初步理解了极光的成因和千变万化的形态，，在这我们将更深入地研究它。

（1）什么是极光？

太阳是一个庞大而炽热的气体球，在它的内部和表面进行着各种化学元素的核反应，产生了强大的带电微粒流，并从太阳发射出来，用极大的速度射向周围的空间。当这种带电微粒流射入地球外围那稀薄的高空大大气层时，就与稀薄气体的分子猛烈地冲击起来，于是产生了发光现象，这就是极光。

（2）为什么极光大多在南北两极附近的上空出现？极光大多在南北两极附近出现，很少在赤道地区发生，为什么呢？

瑰丽的极光是天空的奇观，它是高纬度地带晴夜天空常见的一种辉煌闪烁的光弧或光蒂．这种电的现象在中低纬度地带一般是不常见的。极光的形成主要是由于太阳的带电微粒发射到地球磁场的势力范围，受到地球磁场的影响，从高纬度进入地球的高空大气，激发了高层空气质粒而造成的发光现象。地球是一块巨大的磁石，而它的磁极在南北两极附近。我们知道，指南针总是指着南北方向，就是因为受了地磁场的影响。从太阳射来的带电微粒流，也要受到地磁场的影响，而且使带电微粒流聚集在磁极附近。所以极光大多在南北两极附近的上空出现。在南极发生的叫南极光，在北极发生的叫北极光。我国处在北半球，所以东北等地看到的只能是北极光。在一般的年月里在我国的纬度上，极光就比较罕见。但是我们知道，极光现象是与太阳活动有着密切关系的，每当太阳活动较强的年份，极光就可以在较低的纬度上看见。1957年3月2日夜晚7点钟左右，我国东北边境的漠河和呼玛城一带出现了几十年少见的的极光：一团殷红灿烂的霞光突然地升腾起来，一瞬间变成了一条弧形的光带，从黑龙江上空伸向大兴安岭的南方。在同年的9月29日到30日夜晚，我国北纬40度以上的广大地区，也出现了一次少见的瑰丽的极光，映红了北方的天空。人们怀着极大的兴趣观看这种难得见到的自然现象。

（3）为什么极光会是五彩的呢？

这是因为空气是由氧、氮、氢、氖、氦等气体组成的。在带电微粒流的作用下，各种不同的气体所发出的光也不相同，因此就有各种不同形状的颜色的极光。有的极光象帐幕，有的象圆弧，有的呈带状，有的呈射线状；有的是橙红色，有的紫红色；有的色淡，有的色深。有时候天空中五彩缤纷，美丽极了。

一般极光(主要是指弧状、垂幕状、幕弧状的极光)的亮度，以在距其下限的5一l0千米处最强，自此向上或向下，极光强度均迅速减弱，但在距下限约15千米以上，亮度随高度而减弱的程度就变得和缓些，其所以如此是由于下列原因所形成的。

当正电微粒进入大气时，与高空稀薄的大气分子或原子相碰使它们电离，并激动它们发光，发光的强度越与电离的程度成正比。当正电微粒初入大气时，由于大气密度过小，被电离的空气不多，故极光宽度不很强。以后当正电微粒继续向下行进时，所遇的空气质粒加多，被电离的空气也加多，因而极光亮度就渐渐加强，到了距极光下限约7一10千米处，极光最亮，再向下，由于带电微粒的速度已有相当一部分减弱到小于临界的最大电离速度，因而就不易使空气电离，被电离的空气分子也大为减少，极光亮度就又大为减弱了。但是侵入大气造成极光的带电微粒不单是正电微粒，还可能是负电微粒，在这种情况下，极光强度就不是正比于电离强度，而是正比于电子在其行径中被大气吸收的程度了。在很高的高空，由于电子速度很大，空气又很稀薄，所以电子被吸收得不多，极光就不很强，以后电子继续向下走，速度变慢，所遇到的空气密度渐大，电子被空气吸收的也渐多，所以极光渐强，约在距地110--140千米处极光最强，再向下，由于电子已大部被空气吸收了，所余的电子已不很多，能被空气再行吸收的电子甚少，因此极光的亮度又大为减弱。

极光的表现有各种各样的形式，就外形看：有的如光幕、有的如光冕、有的如光弧、有的如光斑、有的如光带、有的如光柱、有的如光束；就结构来说：有的是均匀片状结构的、有的是下部明显上部模糊、有的是由线条构成、有的是由斑点构成；就轮廓来看：有的下面有轮廓上面没有轮廓、有的则全部没有轮廓，只在夜空中呈薄透明的一片；就运动的情况来看：有的静，有的动，动的情况也是各种各样的：有的呈脉动状、有的如布幕因被风吹而呈现的晃动的样子，有的呈横扫状、有的如火蛇般窜动、有的则如火焰般窜动；就位置来看：有的在天顶(如冕状极光)、有的在地平线上微露出来(如曙光状极光)。在一次极光中可以同时呈现几种式样，有时极光是单层的，有时则是双层的甚至是多层的。

六、猜想假设篇

融化了会变得怎样？

科学家早就注意到南极冰盖对整个地球的巨大影响。有人估计，南极冰盖全部融化成水，平铺在世界大洋的洋面上，能使整个地球的海平面上升60米。如果海水上涨60米，它的结果真会使灾难性的：世界上几乎所有的沿海港口都将被淹没，整个地球的面貌也将发生巨大的变化。冰盖一消失，地壳也会慢慢地升上来。它可能会上升600米。同时，南极大陆四周的大陆架也会相应地上升。

七、未来篇

南极的明天是怎样的？南极是一块“宝地”。且不说那里丰富的鲸、海豹、鳞虾等生物资源，就说南极的地下，那实际上是一个“宝库”。南极的大陆架，储藏着大量的石油和天然气；在横断山脉埋藏着大量的煤。南极是目前世界上唯一保存着“自然真面貌”的大陆。那里的环境基本上没有受到人类活动的影响，那里的空气和冰雪，也没有受到大工业的污染。要了解自然界的本来面目，研究地球的过去和将来，南极就是一个理想的“天然实验室”随着科学技术的发展，沉睡千百年的南极大陆总有一天要为人类作出巨大的贡献。南极的明天是属于世界人民的！

（参考文献：《走近南极》；上网搜索：中国科学博览网站）