美國(guó)南極計(jì)劃戰(zhàn)略遠(yuǎn)景發(fā)展委員會(huì)

極地研究局

地球與生命研究處

美國(guó)國(guó)家科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)院

摘要

　　關(guān)于南極與南大洋的科學(xué)研究已經(jīng)產(chǎn)生了許多重要和令人興奮的科學(xué)進(jìn)展。跨越海洋學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、冰川學(xué)到大氣化學(xué)、微生物學(xué)再到天體物理學(xué)――南極的極端環(huán)境提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)來拓展關(guān)于地球如何運(yùn)行乃至宇宙起源的知識(shí)。南大洋和南極冰層研究為了解該區(qū)域未來，以及該地區(qū)與全球其他許多地區(qū)的相互聯(lián)系及影響變得日益緊迫。南極科學(xué)將產(chǎn)生全球影響。

　　在南極開展研究一直是具有挑戰(zhàn)性的工作。確保野外作業(yè)安全需要重大的支持，到訪研究基地也需要專門的船舶，那里的跑道用冰雕刻而成，飛機(jī)配備了滑雪板，還有專用直升機(jī)以及雪地車。盡管有這些挑戰(zhàn)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）為研究者訪問南極大陸及其周邊海洋提供了廣泛的支持。這項(xiàng)研究通過支持3個(gè)美國(guó)科學(xué)站（麥克默多站、阿蒙森－斯科特站以及帕默站）、2艘極地科考船（勞倫斯·古爾德號(hào)和納撒尼爾·帕默號(hào)）以及確保補(bǔ)給順利到達(dá)各站及持續(xù)運(yùn)營(yíng)的重型破冰船。美國(guó)南極計(jì)劃（USAP）每年有超過3500名美國(guó)人參與相關(guān)研究與后勤保障活動(dòng)。

　　由NSF極地項(xiàng)目處（NSF/PLR）管理的USAP，為美國(guó)在南極大陸以及南大洋科考船上開展科學(xué)研究和相關(guān)后勤保障工作提供支持。盡管每年的預(yù)算不同，NSF/PLR每年在科學(xué)研究方面的投資約為7000萬美元，每年在支持科學(xué)研究的基礎(chǔ)設(shè)施和后勤保障方面投資2.55億美元。對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施提供的經(jīng)費(fèi)水平和后勤保障人員對(duì)科學(xué)家的高比例，反映了在遙遠(yuǎn)南部工作的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。

　　NSF要求國(guó)家科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)院成立一個(gè)委員會(huì)，通過廣泛的各界參與、為NSF制定關(guān)于南極與南大洋研究10年期的遠(yuǎn)景計(jì)劃――發(fā)展包括那些集中于該區(qū)域本身的研究，以及那些將南極作為一個(gè)獨(dú)特平臺(tái)來觀測(cè)地球和宇宙空間環(huán)境的研究。委員會(huì)設(shè)法確定那些對(duì)令人信服的研究進(jìn)行戰(zhàn)略投資的優(yōu)先事項(xiàng)，以及確定支持這些研究所需的最關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。（完整任務(wù)請(qǐng)參閱附件B)。

　　這份報(bào)告基于USAP近年來提供的一系列顧問工作，包括國(guó)家研究委員會(huì)的一項(xiàng)研究《南極洲與南大洋的未來科學(xué)機(jī)遇》（NRC，2011），以及一項(xiàng)藍(lán)絲帶調(diào)查組特別研究《通過提高后勤有效性更好更多地開展南極科學(xué)研究》（BRP，2012）。此外，這份報(bào)告廣泛而努力地收集來自全美各種不同科學(xué)界研究人員的意見。包括廣泛宣傳的在線論壇、在全國(guó)14個(gè)地點(diǎn)召開的推廣會(huì)議和一次國(guó)際會(huì)議。這些推廣工作持續(xù)了11個(gè)月，共有450多人參與。

　　作為這一強(qiáng)有力的USAP計(jì)劃的主要部分，委員會(huì)的戰(zhàn)略遠(yuǎn)景包括以下方面：

　　◎.繼續(xù)進(jìn)行一項(xiàng)具有廣泛基礎(chǔ)的計(jì)劃，支持跨越南極與南大洋科學(xué)研究的所有主要研究領(lǐng)域，支持由學(xué)術(shù)帶頭人（PIs）基于求知欲驅(qū)動(dòng)的研究。委員會(huì)并未試圖為這一類的研究提出具體的優(yōu)先事項(xiàng)。

基礎(chǔ)廣泛的科研人員科學(xué)興趣驅(qū)動(dòng)型研究的核心計(jì)劃

　　為了保持美國(guó)在南極和南大洋研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，并確保美國(guó)處于突破和應(yīng)對(duì)新的環(huán)境挑戰(zhàn)的有利地位，對(duì)研究的廣泛投資組合是必不可少的。NSF/PLR支持跨多學(xué)科領(lǐng)域開展研究的模式，是響應(yīng)跨研究領(lǐng)域的研究申請(qǐng)建議書，繼續(xù)有效保持并刺激充滿活力的科學(xué)界。在這項(xiàng)研究中，科技界提出的許多想法，都屬于這種“自下而上”范疇的PI驅(qū)動(dòng)型研究類別的恰當(dāng)而令人信服的候選人。但委員會(huì)強(qiáng)烈感到，不應(yīng)該先驗(yàn)地確定應(yīng)該優(yōu)先考慮哪些個(gè)人研究項(xiàng)目的建議；相反，這種決定應(yīng)當(dāng)交給NSF規(guī)定的審查過程去完成。

　　在南極，為了確?？茖W(xué)家進(jìn)入那個(gè)地區(qū)，即使是很小的研究項(xiàng)目也涉及非常大的后勤保障工作需求，所以，對(duì)NSF來說，確定高效協(xié)作的最佳后勤保障投資機(jī)會(huì)非常重要。這包括在收集、管理和分析觀測(cè)方面加強(qiáng)協(xié)調(diào)工作。例如，許多研究需要觀測(cè)基本物理參數(shù)（比如，海洋或大氣條件），如果這些數(shù)據(jù)在科研團(tuán)隊(duì)之間更好地共享，或經(jīng)常在關(guān)鍵地點(diǎn)獲得供共享使用的數(shù)據(jù)，效率就可得到提高。

　　建議：NSF應(yīng)繼續(xù)資助基礎(chǔ)廣泛的科研人員興趣驅(qū)動(dòng)型研究的核心計(jì)劃，并在各項(xiàng)獨(dú)立研究中積極尋找提高效率、改善協(xié)作以及數(shù)據(jù)共享的機(jī)遇

　　鑒于訪問遙遠(yuǎn)的南極與南大洋地區(qū)的成本以及后勤工作的挑戰(zhàn)，我們建議，平衡支持傳統(tǒng)的PI驅(qū)動(dòng)型研究，配備更多的導(dǎo)向性、大規(guī)模的研究項(xiàng)目，旨在為關(guān)鍵研究目標(biāo)集聚足夠多的人才及財(cái)政資源。在科學(xué)界社區(qū)投入及內(nèi)部審議兩種途徑提供的信息基礎(chǔ)上，委員會(huì)確定，并提出發(fā)起大型研究項(xiàng)目的3個(gè)主要優(yōu)先事項(xiàng)，作為下一步推進(jìn)考慮建議。這些研究需要協(xié)同“推動(dòng)”，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)型性進(jìn)展，這超出了個(gè)人或小型研究團(tuán)體研究人員提交的項(xiàng)目建議的范圍。為幫助提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程來確定這些優(yōu)先主題，委員會(huì)制定了以下評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見欄S-1）。

欄S-1

大型研究項(xiàng)目評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

初級(jí)篩選：

　　◎.令人信服的科學(xué)：在理解和發(fā)現(xiàn)方面具有重要的、轉(zhuǎn)型性發(fā)展?jié)摿Φ难芯俊?/p>

二級(jí)篩選（重要標(biāo)準(zhǔn)，但每個(gè)案例可能無法滿足每條標(biāo)準(zhǔn)）:

　　◎潛在的社會(huì)影響：能為社會(huì)短期和/或長(zhǎng)期利益產(chǎn)生信息的研究。

　　◎時(shí)間敏感性：涉及經(jīng)歷急速變化的系統(tǒng)/過程，需要盡早開展觀察的研究；有助于當(dāng)前公共政策問題的研究。

　　◎準(zhǔn)備情況和可行性：有望在未來10年內(nèi)迅速向前推進(jìn)，所需技術(shù)和社區(qū)已準(zhǔn)備就緒的研究。

　　◎美國(guó)和NSF領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)鍵區(qū)域：美國(guó)，尤其是NSF處于引領(lǐng)地位的研究。

三級(jí)篩選（需要考慮的附加因素）：

　　◎合作潛力：對(duì)NSF/PLR投入可以得到其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、NSF或國(guó)際伙伴進(jìn)行匹配資助的研究。

　　◎.項(xiàng)目平衡性影響：不會(huì)因需要不成比例的資金支持或后勤支持，對(duì)其他項(xiàng)目帶來重大不利影響的研究

　　◎有助于彌合現(xiàn)有學(xué)科分割的潛力：可為很少共同工作的學(xué)科社區(qū)提供匯集機(jī)會(huì)的研究。

　　建議：未來10年，在南極與南大洋研究方面，NSF應(yīng)該采取以下戰(zhàn)略重點(diǎn)：

　　一、海平面上升的速度有多快以及程度達(dá)到多少？南極冰蓋變化研究計(jì)劃

　　◎ 多學(xué)科倡議了解為什么南極冰蓋正在變化，以及未來它們將如何變化

　　◎ 使用過去冰蓋變化的多種記錄數(shù)據(jù)，理解其變化率與過程。

　　二、南極生物群如何進(jìn)化并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境?

　　解碼基于跨南極生物與生態(tài)系統(tǒng)生物適應(yīng)性與響應(yīng)機(jī)制的基因組和轉(zhuǎn)錄組

　　三、宇宙是如何開始的，支配其進(jìn)化和最終命運(yùn)的基本物理規(guī)律是什么？下一代宇宙微波背景輻射計(jì)劃

　　以下是上述每個(gè)主題的動(dòng)機(jī)、目標(biāo)及關(guān)鍵步驟的簡(jiǎn)要概述。第一個(gè)主題是這3個(gè)主題中最大的一個(gè)，委員會(huì)認(rèn)為它最急需執(zhí)行。

戰(zhàn)略重點(diǎn)一：

　　海平面上升的速度有多快，以及程度達(dá)到多少？

　　南極冰蓋變化研究計(jì)劃

　　靜置在南極大陸東西兩側(cè)海平面以下基巖上的南極冰蓋，對(duì)一種稱為海洋冰蓋不穩(wěn)定性的脫落坍塌過程很脆弱。通常認(rèn)為，這種不穩(wěn)定性主要通過溫暖的海水融化冰蓋邊緣而觸發(fā)。雖然這個(gè)過程已經(jīng)確定，并在模型中測(cè)試過，然而尚未直接觀察到；而且，不知道這種脫落坍塌會(huì)發(fā)生多快，也不知道南極冰蓋的哪部分將被涉及。但積累的證據(jù)表明，部分南極冰蓋正在變得不穩(wěn)定并開始坍塌，而且近年來變化的步伐加快了。為了更好地評(píng)估未來冰蓋繼續(xù)坍塌可能會(huì)造成的海平面上升，迫切需要了解這一過程。

　　了解目前冰層變化原因與方式，以及它們?cè)谖磥淼淖兓俣?，?duì)人類社會(huì)有著至關(guān)重要的影響。隨著南極西側(cè)冰蓋（WAIS）對(duì)海洋變暖及氣候變化的響應(yīng)，可能會(huì)在短短幾個(gè)世紀(jì)之內(nèi)（而且，南極東側(cè)冰蓋有更大潛在威脅，只是時(shí)間尺度還未可知）造成全球海平面上升2－4米。應(yīng)對(duì)這種尺度的海平面上升威脅，保護(hù)沿?；A(chǔ)設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)，是非常昂貴的命題，而且，了解海平面上升可能的速率和量級(jí)對(duì)評(píng)估社會(huì)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的需求水平非常關(guān)鍵。

　　因此，委員會(huì)提出了一項(xiàng)新的重要任務(wù)，提高對(duì)南極海洋冰蓋尤其是南極西側(cè)變化原因以及它們未來變化方式的了解。這將是一個(gè)多管齊下的研究戰(zhàn)略，既包括對(duì)當(dāng)今冰蓋發(fā)生變化的研究，也研究主要冰蓋的變化歷史。

　　研究方向一：倡議從多學(xué)科角度了解目前南極冰蓋為什么變化，以及未來它們將如何變化

　　由于缺少對(duì)關(guān)鍵海域及冰面以下的觀測(cè)，還由于對(duì)動(dòng)態(tài)變化的冰蓋/冰架、南極氣候和大氣環(huán)流等關(guān)鍵變化的了解進(jìn)展緩慢，對(duì)冰蓋坍塌的過程和速率的科學(xué)知識(shí)還存在很大缺口。了解驅(qū)動(dòng)南極冰蓋變化的基本過程，需要開展協(xié)同研究并配合對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)。這里提出的項(xiàng)目直接建立在美國(guó)近代對(duì)南極西部研究的領(lǐng)導(dǎo)與投資基礎(chǔ)上。倡議的項(xiàng)目包括以下關(guān)鍵內(nèi)容：

　　◎開展對(duì)關(guān)鍵過程進(jìn)行多學(xué)科研究，對(duì)復(fù)雜的冰、海洋、和大氣間的相互作用增進(jìn)了解；

　　◎?qū)δ蠘O西部變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，比如，包括對(duì)大氣與海洋環(huán)流、海冰變化與影響、冰蓋流動(dòng)與累積以及亞冰架與地平線環(huán)境的實(shí)地觀測(cè)；

　　◎?qū)χ鞅芟碌奈粗匦魏捅w下的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行制圖，利用機(jī)載雷達(dá)技術(shù)、地球物理成像、地震活動(dòng)性勘探、亞冰探測(cè)，還有傳統(tǒng)的海岸帶與冰上調(diào)查等；以及

　　◎?yàn)槟蠘O環(huán)境研究推進(jìn)大氣－海洋－海冰－冰蓋耦合模型優(yōu)化。

　　這方面工作需要改善具有挑戰(zhàn)的WAIS沿海地區(qū)的后勤供應(yīng)保障，進(jìn)而轉(zhuǎn)為增加船舶、空運(yùn)、航空物探以及開展橫貫雪層研究的能力。需要新技術(shù)與采樣策略，包括先進(jìn)的浮標(biāo)和系泊設(shè)備，自動(dòng)檢測(cè)潛艇以及水面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

　　研究方向二：使用冰蓋變化的多種歷史記錄數(shù)據(jù)，了解其變化率與過程

　　冰蓋坍塌發(fā)生的詳細(xì)物理過程尚未很好掌握，而且，這種知識(shí)的缺乏直接轉(zhuǎn)化為對(duì)WAIS坍塌速度與程度預(yù)測(cè)的模型不確定性。解決這些不確定性需要對(duì)以往冰的快速后退事件進(jìn)行縝密的研究。因此，委員會(huì)提出開展一項(xiàng)將冰芯、海洋與陸地完全整合的研究計(jì)劃，可以直接為用于預(yù)測(cè)WAIS未來演變的約束模型提供信息與幫助。

　　歷史上WAIS最近的坍塌事件被認(rèn)為發(fā)生在最后一次間冰期時(shí)期（艾木間冰期），大約12.5萬年前。這一時(shí)期的古歷史記錄已經(jīng)恢復(fù)，但這些樣品的低時(shí)間分辨率對(duì)于試圖控制冰蓋坍塌速度的嘗試產(chǎn)生困難。冰芯研究方面，年變化樣本數(shù)據(jù)可能會(huì)對(duì)南極冰融化速度提供特別有價(jià)值的證據(jù)。因此，這一計(jì)劃將包括在位于假定的WAIS坍塌發(fā)生地邊緣進(jìn)行1次或多次冰芯鉆探，在這些地點(diǎn)，來自艾木間冰期的冰層年變化情況很可能仍有保存。位于南極洲東、西交界處的Hercules.Dome，被認(rèn)為是一個(gè)潛在的適合冰芯鉆探的地點(diǎn)，對(duì)其特點(diǎn)已經(jīng)了解的比較透徹。

　　這一計(jì)劃也將包括在WAIS疑似坍塌發(fā)生地內(nèi)部及相鄰地區(qū)，對(duì)經(jīng)過仔細(xì)挑選位置的海洋盆地進(jìn)行高分辨率沉積物芯研究。預(yù)計(jì)在開放海洋條件下，沉積物的堆積率較高；因此可以合理預(yù)計(jì)，WAIS坍塌階段的每年或接近年度的間隔期，可以在精心挑選的記錄中被重新確定，為關(guān)鍵歷史時(shí)期南極西部冰融化的速度與程度提供新的見解。

　　通過對(duì)坍塌區(qū)域范圍制圖，確定過去海洋冰蓋損失的地理足跡，也對(duì)由于冰蓋損失造成對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)量評(píng)估十分關(guān)鍵。一個(gè)很有前景的方法是將采自WAIS下方的短基巖核心部分，用宇宙成因核素年代測(cè)定技術(shù)，確定冰蓋是否在指定時(shí)期移動(dòng)過，以及在某些情況下該地區(qū)有多長(zhǎng)時(shí)間沒有冰覆蓋。這些亞冰數(shù)據(jù)集，連同從附近冰磧石和冰川沉積中獲取的宇宙成因、地質(zhì)年代學(xué)數(shù)據(jù)，可以用來評(píng)估WAIS的冰蓋隨時(shí)間發(fā)生的體積變化。

　　提議《冰蓋變化計(jì)劃》有兩個(gè)主要組成部分，按照不同的研究策略和地域關(guān)注點(diǎn)區(qū)分，但是它們不能當(dāng)作單獨(dú)的項(xiàng)目孤立發(fā)展。這些不同研究社區(qū)之間正在進(jìn)行的相互作用將產(chǎn)生創(chuàng)新，提升這一計(jì)劃，并超越目前實(shí)施的南極西部研究計(jì)劃。

　　在過去幾十年里，USAP已經(jīng)支持了大量成功研究南極冰蓋變化的項(xiàng)目，但更加緊迫的是，日益增加的對(duì)WAIS冰蓋坍塌的關(guān)注，需要在美國(guó)各研究社區(qū)及國(guó)際范圍內(nèi)――在NSF強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)力與支持下，大大擴(kuò)展多學(xué)科交叉研究。本研究最終將對(duì)社會(huì)在何時(shí)、何地以及怎樣適應(yīng)海平面上升提供關(guān)鍵指導(dǎo)。雖然，相對(duì)于NSF/PLR核心項(xiàng)目的預(yù)算水平，這一研究項(xiàng)目的費(fèi)用較高。但是，與預(yù)估的對(duì)海平面上升進(jìn)行適應(yīng)措施和海平面上升產(chǎn)生的破壞比較，這一研究的成本微不足道。

戰(zhàn)略重點(diǎn)二：

　　南極生物群如何進(jìn)化并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境？

　　解碼基于跨南極生物與生態(tài)系統(tǒng)生物適應(yīng)性與響應(yīng)機(jī)制的基因組和轉(zhuǎn)錄組

　　3000萬多年以來，南極洲和南大洋有著極端氣候條件下獨(dú)特、孤立的生態(tài)系統(tǒng)。局限在南極地區(qū)的生物體不得不持續(xù)進(jìn)化，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境挑戰(zhàn)，使南極洲成為一個(gè)了解有機(jī)體進(jìn)化的巨大天然實(shí)驗(yàn)室。在現(xiàn)代人類時(shí)代，隨著環(huán)境不斷變化，全球氣候變化和商業(yè)捕魚活動(dòng)加速變化過程，迫切需要了解南極的物種和生態(tài)相互作用如何應(yīng)對(duì)選擇性壓力。

　　這些問題已經(jīng)通過分子生物學(xué)、生理學(xué)、生態(tài)學(xué)被廣泛研究；但基本未開發(fā)的前沿是在南極生物體內(nèi)編碼的基因組信息。物種數(shù)量的基因組測(cè)序?qū)⒔沂酒浠蚨鄻有缘某潭?，這在評(píng)估它們適應(yīng)環(huán)境變化的能力方面很重要。此外，轉(zhuǎn)錄組與元轉(zhuǎn)錄解碼可以提供有機(jī)體功能可塑性和進(jìn)化能力方面的信息。

　　解碼南極關(guān)鍵生物體基因組，對(duì)于理解進(jìn)化適應(yīng)性與生態(tài)成功的重要性，在10年前就已得到公認(rèn)（NRC，2003.b）。此后，技術(shù)進(jìn)步的飛躍以及成本的大幅下降，使得基因組測(cè)序高度可行，現(xiàn)在，大規(guī)模并行測(cè)序基礎(chǔ)設(shè)施在研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)中廣泛使用?？紤]到這種發(fā)展，該領(lǐng)域已做好準(zhǔn)備在以下關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)：（1）南極生物多樣性和物種相互作用作為它們進(jìn)化潛能的一種指標(biāo)；（2）物種對(duì)南極環(huán)境變化的功能反應(yīng)作為它們表型可塑性的一種指標(biāo)；以及（3）進(jìn)化的冷適應(yīng)/特殊化以及未來進(jìn)化與適應(yīng)潛力。

　　這項(xiàng)計(jì)劃涉及從事從病毒到哺乳動(dòng)物類的不同物種的生物學(xué)家，以解碼基因組與基于變化環(huán)境下有機(jī)體適應(yīng)功能為共同目標(biāo)，協(xié)調(diào)、同步開展活動(dòng)。這些工作將包括個(gè)別物種和組合物種的基因組與轉(zhuǎn)錄組；它可能包含來自冰蓋、土壤、露頭巖石、冰川表面和下面的湖泊與徑流、海洋與海冰等南極主要棲息地的古DNA、病毒、細(xì)菌以及復(fù)雜的真核生物物種。可對(duì)關(guān)鍵物種和生物群/社區(qū)提供重點(diǎn)關(guān)注，這對(duì)從根本上解決關(guān)于南極過去及未來適應(yīng)性的問題十分重要。

　　NSF可以通過一系列項(xiàng)目提案招標(biāo)實(shí)施這一計(jì)劃，這些提案招標(biāo)用于鼓勵(lì)以實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的基因組分析，以實(shí)地調(diào)查為基礎(chǔ)的環(huán)境調(diào)查，以及生物樣本與環(huán)境物理數(shù)據(jù)集之間互為所用――隨著并發(fā)支持對(duì)生物信息學(xué)的發(fā)展，協(xié)助完成基因組分析時(shí)的組裝與注釋。

　　這一計(jì)劃可部分基于已完成歸檔的生物樣品分析，在不需要增加已經(jīng)繁重的預(yù)算及后勤工作下，有效推進(jìn)南極生物研究。

戰(zhàn)略重點(diǎn)三：

　　宇宙是如何起源的，支配其進(jìn)化和最終命運(yùn)的基本物理規(guī)律是什么？

　　下一代宇宙微波背景輻射計(jì)劃

　　宇宙微波背景輻射（CMB）是來自近140億年前早期宇宙的化石光。關(guān)于宇宙微波背景輻射的觀測(cè)已經(jīng)為宇宙構(gòu)成、確定普通物質(zhì)的相對(duì)份額（relative.fractions）、暗物質(zhì)、暗能量以及宇宙背景中微子的存在等提供了非凡的見解。然而，關(guān)鍵測(cè)試仍然是――探測(cè)在宇宙形成第一瞬間也就是宇宙暴脹時(shí)產(chǎn)生的引力波的CMB印跡。此類發(fā)現(xiàn)不僅為宇宙起源之初發(fā)生暴脹提供了堅(jiān)定的證據(jù)，將為許多數(shù)量級(jí)大于粒子加速器實(shí)驗(yàn)室研究所能探測(cè)的物理能量尺度打開了一個(gè)窗口，它還將為長(zhǎng)期尋找的，到目前仍難以捉摸的引力的量子本質(zhì)提供證據(jù)。

　　新一代實(shí)驗(yàn)計(jì)劃稱為CMB第四階段（CMB-S4），提出為早期宇宙提供明確的測(cè)量，探測(cè)宇宙暴脹之初的引力波，或至少設(shè)置嚴(yán)格限制規(guī)則，以便排除一些提議的模型。新一代CMB測(cè)量還將為精確測(cè)量中微子的數(shù)量和類型，也包括他們的總質(zhì)量，提供足夠的靈敏度。這些新一代測(cè)量的精密計(jì)劃將有助于解開至今仍隱藏在宇宙微波背景輻射中的宇宙進(jìn)化的故事。這些實(shí)驗(yàn)解決當(dāng)前物理無法理解，因此需要尋求進(jìn)一步調(diào)查的對(duì)人類起源與自然界運(yùn)轉(zhuǎn)的根本性問題。

　　該計(jì)劃包括將在世界各地的關(guān)鍵位置安裝由10個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成的陣列。安裝在南極點(diǎn)的幾個(gè)望遠(yuǎn)鏡是陣列非常關(guān)鍵的組成部分，因?yàn)槟蠘O獨(dú)特的環(huán)境，使獲得所需的觀測(cè)數(shù)據(jù)特別有價(jià)值。新一代CMB實(shí)驗(yàn)將媲美當(dāng)前南極點(diǎn)的CMB研究建立的后勤工作“足跡”。

　　CMB-S4研究已由一個(gè)重要科學(xué)界范圍的評(píng)估――粒子物理學(xué)項(xiàng)目?jī)?yōu)先次序?qū)＜医M（P5）推薦，作為這一迅猛發(fā)展的研究領(lǐng)域中下一個(gè)合乎邏輯的步驟?，F(xiàn)在采取這下一步驟將確保美國(guó)的引領(lǐng)地位，并使NSF在南極CMB項(xiàng)目的投資得到持續(xù)回報(bào)。這項(xiàng)工作將涉及NSF的3個(gè)處（PLR、物理和天文科學(xué)）、美國(guó)能源部（DOE）科學(xué)辦公室以及美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA），還有一些潛在的國(guó)際合作伙伴。

　　一個(gè)健全的南極與南大洋研究計(jì)劃的基礎(chǔ)

　　作為推進(jìn)優(yōu)先研究項(xiàng)目，以及為支持跨PLR核心計(jì)劃的一系列以研究人員驅(qū)動(dòng)型的研究提供廣泛的支持，委員會(huì)確定了以下基礎(chǔ)設(shè)施、后勤支持需求以及其他相關(guān)的關(guān)鍵問題：

　　訪問遠(yuǎn)程站點(diǎn)：長(zhǎng)期以來，USAP一直是支持深度野外研究活動(dòng)的領(lǐng)導(dǎo)者，各科技界表達(dá)強(qiáng)烈意愿，渴望看到持續(xù)支持這些世界一流的功能設(shè)施。尤其對(duì)于提議的《冰蓋變化計(jì)劃》，有必要在南極西部擴(kuò)大獲取縱深地域站點(diǎn)，包括在冰蓋邊緣周圍和冰層下進(jìn)行的研究工作。美國(guó)研究的關(guān)鍵目標(biāo)領(lǐng)域包括阿蒙森海領(lǐng)域、羅斯冰架以及賽普爾海岸的接地線。關(guān)鍵需求包括一個(gè)縱深野外營(yíng)地及后勤樞紐，雪上科學(xué)運(yùn)載（traverse）能力、冰封沿海區(qū)域科考船支持（見下文）、全天候前往麥克默多站的飛機(jī)，以及改良的訪問遠(yuǎn)程野外地點(diǎn)的飛機(jī)。考慮到現(xiàn)實(shí)有限的資源條件，NSF需要周密籌劃運(yùn)送材料和人員，以確保使麥克默多站和帕默站現(xiàn)代化的當(dāng)前發(fā)展計(jì)劃不要限制了對(duì)縱深地域研究活動(dòng)的支持。

　　船舶支持：本研究科學(xué)社區(qū)輸入的一個(gè)突出主題是關(guān)于USAP的船舶支持。目前，美國(guó)在南極海域只有非常有限的重型破冰船支持研究。北極星號(hào)破冰船已超過40年船齡。Nathaniel.B..Palmer科考船已接近其設(shè)計(jì)使用壽命，即使不考慮其設(shè)計(jì)僅限于有限度的破冰工作。盡管有超過10年的評(píng)估和規(guī)劃工作來研究解決這些限制，但是，迄今對(duì)此次新極地科考船或破冰船的采購還沒有取得顯著的進(jìn)展。這種情況限制了美國(guó)科學(xué)家在那里進(jìn)行研究，并增加了對(duì)外國(guó)船只的依賴。為支持本委員會(huì)推薦的這些科學(xué)重點(diǎn)領(lǐng)域，并保持美國(guó)在南、北極研究領(lǐng)域的引領(lǐng)地位，NSF需要優(yōu)先收購新一代研究型破冰船，并在短期內(nèi)需要與外國(guó)科考船舶運(yùn)營(yíng)商一道，為美國(guó)科學(xué)家提供急需的實(shí)地考察機(jī)會(huì)。為維持美國(guó)南極研究站的業(yè)務(wù)，并支持所有在南極大陸開展的美國(guó)研究項(xiàng)目，必須在采購一艘或多艘新的極地級(jí)破冰船方面取得進(jìn)展。

　　支持持續(xù)觀測(cè)：長(zhǎng)期觀測(cè)對(duì)于改善認(rèn)識(shí)自然環(huán)境和人類對(duì)環(huán)境影響至關(guān)重要。呼吁擴(kuò)大NSF支持的持續(xù)觀測(cè)活動(dòng)，是本研究中許多不同學(xué)科社區(qū)輸入的一個(gè)共識(shí)。經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的觀測(cè)系統(tǒng)需求的一些例子包括自動(dòng)氣象站網(wǎng)、大陸各地的地震與大地測(cè)量監(jiān)控、改善海洋監(jiān)測(cè)（如，水面和水下系泊、剖面浮標(biāo)、滑翔機(jī)），以及表征太陽能長(zhǎng)期變化及其影響的設(shè)施。在《未來科學(xué)機(jī)遇報(bào)告》（NRC，2011a）中提出的，在整個(gè)南極大陸設(shè)立一個(gè)全面的觀測(cè)系統(tǒng)的建議仍然是一個(gè)值得做下去的長(zhǎng)期目標(biāo)，但可能在當(dāng)前不具有可行性。然而，針對(duì)這個(gè)廣大的目標(biāo)，仍有許多實(shí)際的、相對(duì)成本較低的步驟可以采用，包括更好協(xié)調(diào)、集成以及戰(zhàn)略性地?cái)U(kuò)充目前USAP正在運(yùn)作的一系列觀測(cè)工作等途徑。被提議的《冰蓋變化計(jì)劃》，為建立一個(gè)廣闊的南極與南大洋觀測(cè)系統(tǒng)，提供了極好的機(jī)遇。

　　通信與數(shù)據(jù)傳輸能力：為確保野外安全、業(yè)務(wù)支持、載人與自主設(shè)備的管理以及科學(xué)數(shù)據(jù)日常批量傳輸能力，有效通信及信息技術(shù)至關(guān)重要。所提議的CMB-S4計(jì)劃要求傳輸速率在未來10年增加達(dá)到1Tb/天。《冰蓋變化計(jì)劃》對(duì)運(yùn)營(yíng)通信與批量數(shù)據(jù)傳輸提出了新的要求，比如從縱深野外營(yíng)地和運(yùn)行在冰架下方的自動(dòng)儀器傳輸數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)管理：如果基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不能保存和訪問，這份報(bào)告所提到的任何科學(xué)優(yōu)先事項(xiàng)都沒有持久的價(jià)值。數(shù)據(jù)管理需要作為科學(xué)工作不可分割的一部分來支持，這意味著支持?jǐn)?shù)據(jù)本身作為一種有價(jià)值的資產(chǎn)。本研究的科研社區(qū)輸入顯示了一個(gè)更開放、更協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)獲取與共享，更好利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，并進(jìn)行更多跨國(guó)際、跨學(xué)科和數(shù)據(jù)類型整合的數(shù)據(jù)的廣泛需求。NSF/PLR可以幫助科研社區(qū)維持和發(fā)展數(shù)據(jù)服務(wù)，以滿足這些需求，建立諸如南北極的數(shù)據(jù)聯(lián)盟以及極地?cái)?shù)據(jù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)這些令人鼓舞的近期進(jìn)展。NSF/.LR不能立即單獨(dú)解決所有挑戰(zhàn)，但可采取許多步驟（此處所述）來更有效地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。

　　協(xié)作機(jī)遇：該委員會(huì)的優(yōu)先研究計(jì)劃都需要NSF/PLR與其他NSF地球科學(xué)司（大氣與地球空間科學(xué)、地球科學(xué)以及海洋科學(xué)）其他處之間，以及與生物科學(xué)司、數(shù)學(xué)與物理科學(xué)司（物理與天文科學(xué)）之間，有一定程度的新的或擴(kuò)大的協(xié)作。NSF/PLR與其他美國(guó)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)（尤其是NASA、美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)家海洋與大氣局），以及與其他國(guó)家的南極和南大洋研究項(xiàng)目之間，就重點(diǎn)領(lǐng)域擴(kuò)大合作方面，也有無數(shù)機(jī)會(huì)。一些看起來特別成熟的擴(kuò)大協(xié)作領(lǐng)域包括：開展航空物探、海洋測(cè)深以及地震繪圖工作；進(jìn)行生物取樣與調(diào)查工作；規(guī)劃冰芯、海洋沉積物以及地質(zhì)鉆探活動(dòng)；改善南極與南大洋過程在地球系統(tǒng)模型中表達(dá)；擴(kuò)大服務(wù)于南極洲周圍各國(guó)基地船舶的環(huán)境采樣與儀器部署；并支持長(zhǎng)時(shí)氣象氣球研究以及其他大型天文/天體物理和空間天氣研究計(jì)劃。

　　教育與公共宣傳：南極科學(xué)，以其固有的人們發(fā)現(xiàn)新大陸意識(shí)的吸引力，是目前教育課程中未充分利用的元素。NSF/PLR與其他主要合作伙伴一道，能夠在為K-12教育工作者、本科生課程提供支持并開發(fā)南極為主題的資源方面，以及同樣在為非正式教育機(jī)構(gòu)系列中發(fā)展公眾參與和推廣資源方面，發(fā)揮重要作用。強(qiáng)調(diào)利用課堂練習(xí)南極數(shù)據(jù)集，并提供引人入勝的體驗(yàn)（例如，科學(xué)家在野外的個(gè)人故事），可以有助于人們感受到與南極有關(guān)聯(lián)，并有益于增加人們了解在世界這個(gè)偏遠(yuǎn)部分開展研究工作的科學(xué)與社會(huì)價(jià)值。NSF還可以幫助研究生、博士后研究人員以及南極與南大洋早期職業(yè)生涯學(xué)者提供發(fā)展機(jī)會(huì)――比如，通過有針對(duì)性的資助機(jī)會(huì)，為本科生、研究生、博士后以及教育工作者提供研究經(jīng)驗(yàn)，包括國(guó)際合作與機(jī)構(gòu)交換機(jī)會(huì)。

　　建議：NSF應(yīng)優(yōu)先考慮以下措施來推進(jìn)此處建議的優(yōu)先研究計(jì)劃的基礎(chǔ)設(shè)施與后勤支持――這些措施將同樣使NSF/PLR核心計(jì)劃支持的許多其他研究活動(dòng)受益。

　　◎ 發(fā)展計(jì)劃擴(kuò)大進(jìn)入南極西部與南大洋重點(diǎn)區(qū)域的縱深地區(qū)，主要包括以下關(guān)鍵方面：縱深區(qū)域營(yíng)地及后勤樞紐、雪上科學(xué)運(yùn)載能力、冰封南大洋沿海區(qū)域科考船支持、全天候前往麥克默多站的飛機(jī)，以及訪問遠(yuǎn)程野外地點(diǎn)的改良飛機(jī)。

　　◎ 支持海岸警衛(wèi)隊(duì)設(shè)計(jì)與采購新的極地級(jí)破冰船的努力；并在其他研究伙伴的協(xié)助下，設(shè)計(jì)并采購新一代極地科考船。在短期內(nèi)，與國(guó)際伙伴合作，通過其他國(guó)家正在使用的具有在有冰海區(qū)進(jìn)行研究能力的高科技研究船只，提供基于海洋的研究與采樣機(jī)會(huì)。

　　◎ 積極追求更好協(xié)調(diào)與戰(zhàn)略擴(kuò)充現(xiàn)有陸地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)，并更好地協(xié)調(diào)國(guó)家船只，增加南大洋的采樣機(jī)會(huì)。

　　◎ 繼續(xù)努力推進(jìn)提高USAP通信與數(shù)據(jù)傳輸能力，包括自動(dòng)水下儀器的定位/導(dǎo)航。

　　◎ 確定所有核心計(jì)劃獲取數(shù)據(jù)的具體檔案管理與保存工作；鼓勵(lì)所有受資助項(xiàng)目從項(xiàng)目計(jì)劃和執(zhí)行期間由專人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理需求；并努力既推進(jìn)南極特有數(shù)據(jù)管理活動(dòng)，又推進(jìn)遍及NSF內(nèi)、全國(guó)、以及國(guó)際數(shù)據(jù)管理項(xiàng)目中的合作。

結(jié)論

　　NSF支持的南極與南大洋研究，對(duì)推進(jìn)人類眾多學(xué)科知識(shí)疆界、對(duì)在全球范圍內(nèi)建設(shè)更好地了解地球系統(tǒng)的基礎(chǔ)、并對(duì)社會(huì)隨著時(shí)間推移，如何應(yīng)對(duì)重大環(huán)境變化提供信息至關(guān)重要。雖然南極與南大洋研究可以解決的令人興奮和重要的問題是一個(gè)無窮無盡的蓄水池，面對(duì)有限的研究預(yù)算和后勤支持，在資源配置中需要優(yōu)先排序是現(xiàn)實(shí)的。在此提出的觀點(diǎn)，是來自全國(guó)各地博學(xué)多識(shí)和富有激情的研究人員們集思廣益的結(jié)果，委員會(huì)希望，這將為NSF領(lǐng)導(dǎo)層及成員提供有用的戰(zhàn)略框架，有助于他們?cè)诮窈髱啄曜龀雒髦堑倪x擇。

　　原文題目：A.Strategic.Vision.for.NSF.Investments.in.Antarctic.and.Southern.Ocean.Research

　　資料來源：http://www.nap.edu/read/21741/chapter/91.xhtml

（黃銘瑞、林巧編譯，殷永元審核）