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南京大学朱嘉团队,最新Nature Water!

探讨冰川保护材料挑战
冰川,尤其是小型/本地的冰川,由于对气候变化的敏感性增强,正在迅速融化和消失。迫切需要对开发当地冰川保护材料的主要标准和基本挑战的整体理解,再加上呼吁进行跨学科合作,以有效解决当地冰川静修的紧迫问题。今日,南京大学朱嘉教授朱斌副教授以“Challenges to materials for local glacier conservation”为题在《Nature Water》上发表评论性论文,探讨冰川保护材料挑战第一作者为Ningning Cao, Haowen Chi为共同一作。
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朱嘉教授和朱斌副教授
冰川覆盖全球约11%的陆地,是地球淡水的重要储存库,在维持水循环和生态平衡中扮演关键角色。然而,受气候变化和人为温室气体排放影响,全球冰川正以惊人速度融化,过去20年年均损失约2670亿吨。尤其是小型冰川(小于1 km²,占总数79.2%)最为脆弱,若全球升温1.5-4°C,预计其损失将高达60-90%,对当地水资源、生态和经济造成严重冲击。冰川的融化主要源于能量失衡,过量吸收太阳能导致表面温度上升,加速消融,最终引发大规模质量损失。面对这一全球危机,联合国已将2025年定为冰川保护年,呼吁全球紧急行动,以遏制冰川消融,守护地球生态安全。
当前,科学家正探索多种人工干预措施来减缓小型冰川和滑雪胜地的融化速度,包括冰川覆盖、人造积雪和注入水等。其中,覆盖冰川表面是一种较为可行的方法,已在实践中取得成效。例如,使用白色土工布可将冰川的太阳反射率提高至70-80%,显著减少热量吸收,降低融化速率。更先进的被动白天辐射冷却(PDRC)技术,通过高太阳反射率(>90%)和红外辐射窗口(8–13μm)进一步减少能量输入,在冰雪保护方面展现出巨大潜力。(图1)要建立有效的小型冰川保护方案,关键在于深入研究材料设计标准和严格要求,以确保技术的长期可行性和环境适应性。
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图1:冰川保护的材料
光谱特征
冰川融化受多种能量流的相互作用影响,为了有效减缓这一过程,必须深入分析冰川表面的能量平衡。研究表明,净辐射(NR)是导致冰川融化的主要能量来源,其中短波辐射(0.3–2.5 μm)和长波辐射(8–13 μm)起着关键作用。冰川表面的反照率(RSolar)决定了其对太阳辐射的反射能力,新雪的反照率可达0.9,而深色冰仅约0.2,覆盖碎屑的冰川甚至低至0.1。实验表明,使用高反照率(78%)的土工布覆盖冰川,可降低短波辐射吸收,减少冰川融化达45%,同时增强长波辐射散热,使可用于融化的能量减少20%。为了更高效地减缓冰川融化,理想材料应具备高RSolar(接近1)和高长波发射率(εlwir接近1),从而减少净能量输入。研究发现,优化材料微孔结构(孔径0.5–3 μm)可显著提高太阳反射率,而在分子结构上,含有丰富C–O和C=O伸展振动的材料在长波范围内(8–13 μm)能有效增强散热能力。目前,传统冰川覆盖材料如聚酯(PET)和聚丙烯(PP)在长波辐射性能上存在不足,而新型醋酸纤维素(CA)基的被动白天辐射冷却(PDRC)材料,可通过精确控制微孔结构提升RSolar,同时其分子结构在8–13 μm范围内具备优异的长波辐射特性。这种双重增强使基于CA的PDRC材料成为保护小型冰川的潜在高效方案(图1B)。实验对比显示,CA材料在光谱性能上远优于传统PET和PP土工布,进一步验证了其在冰川保护中的应用潜力(表1)
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表1光谱特性,水接触角,机械强度和传统土工织物的生物降解性和新的基于CA的PDRC材料
防污染物
冰川保护材料的长期稳定性受到灰尘污染的影响,特别是在0.3–2.5 µm范围内,灰尘会显著增加太阳能吸收,使覆盖物的反照率(RSolar)降低,导致冷却效率下降。研究表明,灰尘覆盖率从9.5%增加到64%时,冰川覆盖材料的太阳反射率明显下降,但对长波辐射(8-13 µm)的散热能力影响较小。这种选择性影响意味着灰尘主要阻碍太阳能反射,而不会显著削弱材料的热排放能力,从而降低整体冷却效果。在冰川环境中,空气污染物如矿物灰尘会通过降雪、降雨等方式附着在土工布表面,长期积累会削弱材料的保护性能,加速冰川融化。因此,提升冰川覆盖材料的抗污染能力至关重要。最新研究表明,仿生超疏水表面可有效排斥水分和污染物,即使在极端环境下,也能保持材料的光学性能和冷却能力(图1A,II)。为了确保持续的冰川保护,覆盖材料需具备自清洁的疏水特性,其表面水滴接触角应达到超疏水范围(约150°)。实验数据显示,基于醋酸纤维素(CA)的PDRC材料接触角为148.6°,显著优于PET(114.6°)和PP(127.8°),表明其在抗污染和自清洁能力方面的优越性(表1)。这一特性使CA基PDRC材料成为未来冰川保护的理想选择。
机械稳定性
在冰川保护中,土工布不仅要具备良好的光学性能和疏水特性,还必须在运输、铺设和长期使用过程中保持足够的结构完整性,以抵抗各种环境压力。尤其是在铺设过程中,尖锐物体如冰柱、木质茎和动物骨骼可能对材料造成机械损伤,这种风险比风力等环境因素更具威胁。例如,由融化冰形成的冰柱可能刺穿或撕裂保护层,而沉积在冰川上的木茎或骨骼也可能产生局部压力,导致材料损坏。这种机械破坏不仅会削弱冰川覆盖材料的保护作用,还可能导致材料完全失效,从而加速冰川融化。因此,在冰川保护应用中,选择或设计既具备优异光学和疏水性能,又能承受机械冲击的材料至关重要(图1A,III)。研究表明,结合抗穿刺层或采用具备缓冲能力的材料,可提高保护系统的长期耐用性,使其在充满尖锐碎屑的极端环境中依然有效。实验数据显示,新型醋酸纤维素(CA)基PDRC材料不仅具备与传统PET土工布相当的柔韧性,还在机械强度上优于PET和PP材料,基本满足冰川保护的耐用性要求(表1)。这使CA基PDRC材料成为未来冰川保护的更可靠选择。
大规模生产和生物降解性
冰川保护不仅关乎材料选择,还涉及生产成本、环保可持续性和实施方式。例如,意大利普雷纳冰川每年需超10万平方米土工布,传统PET和PP材料虽常用,但难以降解且可能释放微塑料污染。相比之下,醋酸纤维素(CA)基PDRC材料可生物降解,生产成本有望通过优化工艺和利用农业废弃物进一步降低。此外,人工铺设土工布在恶劣冰川环境中效率低,科学家提出无人机喷洒CA基PDRC粉末的新方案,既高效又低碳。以DJI T-40无人机为例,30分钟内可覆盖192.5平方米,远超人工效率。更重要的是,冰川保护是一个跨学科协作过程,涉及气候学、地质学、水文学和生态学等领域,利用实时数据共享和动态调整策略,可提升冰川保护的效果和可持续性,为全球生态安全提供有力支持。
小结
投资冰川覆盖材料是应对气候变化的一项积极举措。随着全球对减少温室气体排放的承诺减弱,像PDRC材料这样的本地化解决方案可为依赖冰川融水的社区带来直接而实际的收益。同时,这些材料的持续研发和优化,不仅有助于缓解气候变化,还推动更广泛的适应性措施。它们提供了一种有效的短期应对方案,为实施长期解决方案争取时间。因此,对冰川覆盖材料的投资不仅是一种权宜之计,更是全球抗击气候变化策略的重要组成部分,对当地生态和全球环境均具有深远影响。
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来源:高分子科学前沿
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