美国宇航局的空间激光以惊人的精度绘制了南极洲融水湖的地图

从上面看,南极冰盖可能看起来像一个平静、永久的冰盖,覆盖了南极洲数百万年。但冰盖最厚时可能有数千米深,在其底部与大陆基岩交汇处隐藏着数百个融水湖。在地表深处,这些湖泊中的一些通过水道系统不断地填充和排水,最终排入海洋。

现在,利用美国宇航局有史以来在太空飞行的最先进的地球观测激光仪器,科学家们改进了南极西部冰盖下这些隐蔽湖泊系统的地图——并发现了另外两个活跃的冰下湖泊。

这项新的研究为从太空中发现新的冰下湖泊以及评估这一隐藏的管道系统如何影响冰滑入南大洋的速度提供了重要的见解,从而增加了可能改变其循环和生态系统的淡水。

美国宇航局的冰、云和陆地高度卫星2号(ICESat-2)使科学家能够精确地绘制冰下湖泊的地图。卫星测量冰面的高度,尽管其厚度巨大,但随着冰盖下湖泊的填满或清空,冰面会上升或下降。

这项研究于7月7日发表在地球物理研究通讯,集成了ICESat-2的前身、最初的ICESat任务以及欧洲航天局专门监测极地冰厚度的CryoSat-2卫星的高度数据。

几十年来,南极冰盖下的水文系统一直是个谜。这一点在2007开始改变,当时加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的冰川学家Helen Amanda Fricker做出了突破,这有助于更新对南极洲冰川下湖泊的经典理解。

Fricker在2007年利用原始ICESat的数据首次发现,在南极洲快速流动的冰流下,整个湖泊网络相互连接,随着时间的推移,不断地填充和排水。以前,人们认为这些湖泊可以静态地容纳融水,而不需要填充和排放。

“在冰床界面上发现了这些相互连接的湖泊系统,这些系统正在使水四处流动,对冰川学、微生物学和海洋学都产生了影响——这是ICESat任务的一个重大发现,”科罗拉多矿业学院地球物理助理教授Matthew Siegfried说,这项新研究的首席研究员。“ICESat-2就像在使用ICESat后戴上眼镜一样,数据的精度如此之高,我们可以真正开始绘制水面上的湖泊边界。”

科学家们假设,南极洲冰下水交换是多种因素共同作用的结果,包括上面巨大的冰重量所施加的压力波动,冰盖床和下面岩石之间的摩擦,和热量从下面的地球上来,被冰的厚度隔离。这与格陵兰冰原形成了鲜明的对比,在格陵兰冰原上,冰床上的湖泊充满了融水,融水通过表面的裂缝和孔洞排出。

为了利用卫星数据研究冰下湖泊更频繁地填充和排泄的区域,西格弗里德与弗里克合作,弗里克在设计ICESat-2任务从太空观测极地冰的方式方面发挥了关键作用。

Siegfried和Fricker的新研究表明,自最初的ICESat任务于2003年开始测量冰盖表面的海拔变化以来,南极洲西部Mercer和Whillans冰流下的一组湖泊,包括Conway和Mercer湖,正在经历第三次排水期。这两个新发现的湖泊也位于这一地区。

除了提供重要数据外,研究还表明,随着水进入和离开水库,湖泊的轮廓或边界会逐渐改变。

Siegfried说:“我们正在绘制出目前存在的任何高度异常。”。“如果有湖泊在充水和排水,我们将用ICESat-2探测它们。”

冰盖下的“帮助我们观察”

如果科学家想更好地了解南极洲冰下管道系统,以及所有这些淡水如何改变上面冰盖的速度或最终流入的海洋的环流,精确测量基础融水是至关重要的。

南极冰盖是覆盖大陆大部分地区的一层巨大的圆顶状冰层,它像超厚的蜂蜜一样从大陆中部缓慢向外流动。但随着冰接近海岸,其速度急剧变化,变成河流般的冰流,以每天数米的速度迅速向海洋输送冰。冰层移动的快慢在一定程度上取决于融水在冰盖在底层基岩上滑动时润滑冰盖的方式。

随着冰盖的移动,它会出现裂缝、裂缝和其他缺陷。当冰下的湖泊获得或失去水分时,它们也会使上面的冰冻表面变形。无论大小,ICESat-2利用激光高度计系统绘制这些海拔变化的地图,精度仅为几英寸,该系统可以以前所未有的细节测量地球表面。

通过长期的卫星任务跟踪这些复杂的过程,将对冰盖的命运提供至关重要的见解。在过去20年中,冰川学家对冰盖的一个重要发现来自于对极地冰如何随着大气和海洋变暖而变化的观察,但隐藏的过程,如湖泊系统在冰下输送水的方式,也将是未来南极冰盖研究的关键,弗里克说。

弗里克说:“如果没有卫星数据,我们就不会知道南极洲下正在发生的这些过程。”她强调说,2007年的发现使冰川学家能够证实南极洲隐藏的管道系统比以前认为的更快地输送水。“我们一直在努力获得关于南极洲未来的良好预测,像ICESat-2这样的仪器正在帮助我们在过程尺度上进行观测。”

“与整个地球系统相连的水系统”

来自冰原的淡水如何影响南大洋的环流及其海洋生态系统是南极洲最保守的秘密之一。由于该大陆的冰下水文对水的流动起着关键作用,西格弗里德还强调了冰盖与地球其他部分的联系。

“我们谈论的不仅仅是冰盖,”西格弗里德说。“我们真正谈论的是一个与整个地球系统相连的水系统。”

最近,弗里克和另一组科学家探索了淡水和南大洋之间的这种联系——但这次是通过观察冰架表面附近的湖泊,冰架是漂浮在海洋上的一大块冰,是冰盖的延伸。他们的研究报告称,2019年,一条裂缝或裂缝从湖底延伸至东南极阿米里冰架底部,一个被冰覆盖的大型湖泊突然崩塌。

利用ICESat-2的数据,研究小组分析了冰架景观的崎岖变化。这一事件留下了一个巨大的凹陷,约4平方英里(约10平方公里),是纽约市中央公园的三倍多。这条裂缝在三天内将近2000亿加仑的淡水从冰架表面注入下面的海洋。

在夏季,数千个绿松石色的融水湖点缀着南极洲冰架明亮的白色表面。但这一突发事件发生在冬季,科学家们预计冰架表面的水会被完全冻结。由于ICESat-2以精确重复的地面轨道绕地球运行,其激光束可以显示湖泊干涸前后地形的巨大变化,即使在极地冬季的黑暗中也是如此。

塔斯马尼亚大学澳大利亚南极合作伙伴的冰川学家Roland Warner和这项研究的主要作者,首次从美国国家航空航天局和美国地质调查局的联合任务卫星Landsat 8中拍摄到了结冰的冰架。沃纳说,排水事件最有可能是由水力压裂过程引起的,在这一过程中,湖水的质量导致表面裂缝直接穿过冰架进入下面的海洋。

华纳说:“由于漂浮冰架表面的水的重量减少,整个冰架以湖为中心向上弯曲。”。“仅凭卫星图像就很难理解这一点。”

在温暖的月份,南极冰架上的融水湖和溪流很常见。由于科学家们预计,随着气温升高,这些融水湖将变得更加常见,因此在未来几十年内,水力压裂的风险也可能增加。尽管如此,研究小组得出结论,现在确定南极洲气候变暖是否导致艾默里冰架上观测到的湖泊消亡还为时过早。

利用测高数据见证漏斗的形成是一个难得的机会,但这也是冰川学家需要分析的事件类型,以便研究与南极洲模型相关的所有冰动力学。

Fricker说:“我们从卫星测高中了解了很多关于冰盖动态过程的知识,我们计划下一代测高卫星继续保持这一记录是至关重要的。”。

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罗伯托·莫尔·坎达诺萨,美国宇航局地球科学新闻小组

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