史丹佛科學家揭開南極冰層移動之謎

史丹佛大學的研究團隊近日結合機器學習與高解析度衛星及航空觀測資料，深入分析南極冰層大規模移動的物理機制。這項突破性研究揭示，現有模型缺乏足夠的複雜性，無法精準預測南極冰層的動態變化與質量流失，這對未來全球海平面上升的預測至關重要。

隨著全球暖化加劇，南極冰層持續融化，對全球海平面上升造成顯著影響。南極冰層蘊含的冰量足以使全球海平面上升190英尺，因此精準預測冰層的移動與融化情況，對於保護沿海地區至關重要。然而，由於資料有限，加上海洋、大氣與冰層之間的複雜互動作用，大多數氣候模型在模擬南極冰層移動時面臨巨大挑戰。

在3月13日發表於《科學》期刊的論文中，史丹佛大學的研究人員首次利用機器學習分析南極冰層移動的高解析度遙感資料。這項研究揭示了控制南極冰層大規模移動的關鍵物理過程，並為未來冰層變化的預測提供了新的見解。

史丹佛大學地球物理學助理教授賴清堯表示：「在衛星時代，我們獲得了大量的觀測資料。我們將這些資料與基於物理的深度學習結合，從而對冰層在自然環境中的行為有了新的理解。」南極冰層是地球上最大的冰體，面積幾乎是澳洲的兩倍，它像一塊巨大的海綿，將淡水以冰的形式儲存，維持全球海平面的穩定。

現有模型通常依賴於實驗室中得出的冰層機械行為假設，但賴清堯指出，南極冰層的複雜性遠超實驗室模擬的範圍。由海水形成的冰與由壓實雪形成的冰具有不同的特性，且冰層中可能存在裂縫、氣泡或其他不均勻結構，這些都會影響冰層的移動。

賴清堯與她的團隊並未試圖捕捉每一個變數，而是建立了一個機器學習模型，分析2007年至2018年間衛星影像與飛機雷達記錄的冰層大規模移動與厚度資料。研究人員要求模型擬合遙感資料，並遵循多項已知的物理定律，從而推匯出新的本構模型，描述冰層的黏性——即其抵抗移動或流動的能力。

研究團隊聚焦於南極的五個冰架——這些漂浮的冰平臺從陸地冰川延伸至海洋，並阻擋了南極大部分冰川冰的流失。他們發現，靠近大陸的冰架部分正受到壓縮，這些區域的本構模型與實驗室結果相當一致。然而，隨著冰層遠離大陸，它開始被拉向海洋，這種應變導致冰層在不同方向上具有不同的物理特性，這種現象稱為「各向異性」。

研究第一作者王永吉表示：「我們的研究發現，大部分冰架都具有各向異性。壓縮區——靠近陸地冰層的部分——僅佔冰架的不到5%，其餘95%屬於延伸區，並不符合相同的物理定律。」

隨著全球氣溫上升，精準理解南極冰層的移動變得越來越重要。海平面上升已導致低窪地區與島嶼的洪水頻率增加，加劇海岸侵蝕，並使颶風等極端天氣造成的破壞更加嚴重。現有模型通常假設南極冰層在所有方向上具有相同的物理特性，但賴清堯、王永吉及其同事的研究明確指出，目前的本構模型無法準確捕捉衛星觀測到的冰層移動。

王永吉表示：「過去有人提出過這種想法，但從未被驗證。現在，基於這種新方法及其背後的嚴謹數學思維，我們知道預測南極未來演變的模型應該考慮各向異性。」

研究團隊目前尚不清楚延伸區各向異性的具體成因，但他們計劃利用更多南極資料進一步完善分析。這些發現也可幫助研究人員更好地理解導致冰架裂縫或崩解（即大塊冰突然從冰架脫離）的應力，或作為將更多複雜性納入冰層模型的起點。這項研究是建立更精準模擬未來條件模型的第一步。

賴清堯與她的團隊相信，這種結合觀測資料、已知物理定律與深度學習的技術，也可用於揭示其他具有大量觀測資料的自然過程的物理機制。他們希望這種方法能推動更多科學發現，並促進與地球科學界的合作。

賴清堯總結道：「我們試圖證明，人工智慧確實可以用來發現新知識。它仍需要遵循某些物理定律，但這種結合方法讓我們發現了以往未知的冰層物理特性，並可能推動對地球與行星過程的新理解。」