美国宇航局的空间激光以惊人的精度绘制了南极洲的融水湖

从上方看,南极冰盖可能看起来像一个平静的、永久的冰原,覆盖了南极洲数百万年。但冰盖最厚的地方可能有几千米深,在它的底部与大陆的基岩相接的地方隐藏着数百个融水湖。在地表以下深处,一些湖泊通过水道系统不断填满和排水,最终流入海洋。

现在,借助NASA在太空中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藏湖泊系统的地图,并又发现了两个活跃的冰下湖泊。

这项新研究为从太空中发现新的冰下湖泊提供了重要的见解,也为评估这个隐藏的管道系统如何影响冰滑入南大洋的速度,增加淡水,可能改变其循环和生态系统提供了重要的见解。

美国宇航局的“冰、云和陆地高度卫星2号”(简称ICESat-2)让科学家能够精确地绘制冰川下湖泊的地图。卫星测量冰层的高度,尽管冰层非常厚,但随着冰层下湖泊的填满或填空,冰层的高度会上升或下降。

这项研究发表于7月7日《地球物理研究快报它整合了来自ICESat-2的前身,即最初的ICESat任务的高度数据,以及欧洲航天局(European Space Agency)专门监测极地冰层厚度的卫星克里赛特-2 (CryoSat-2)的数据。

几十年来,南极冰盖下的水文系统一直是个谜。这种情况在2007年开始改变,当时加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)斯克里普斯海洋学研究所(Scripps Institution of Oceanography)的冰河学家海伦·阿曼达·弗里克(Helen Amanda Fricker)取得了一项突破,帮助更新了对南极洲冰川下湖泊的传统认识。

弗里克利用2007年ICESat的原始数据首次发现,在南极洲快速流动的冰流之下,有一个完整的湖泊网络相互连接,随着时间的推移,它们会不断地填满和排水。在此之前,这些湖泊被认为是静态地保存融水,而不是填满和排水。

“在冰床界面发现了这些相互连接的湖泊系统,这些系统在移动着周围的水,以及所有这些对冰川学、微生物学和海洋学的影响——这是ICESat任务的一个重大发现。”Matthew Siegfried说,他是科罗拉多州戈登市科罗拉多矿业学院的地球物理学助理教授,也是这项新研究的首席研究员。“ICESat-2就像使用ICESat后戴上眼镜一样,数据非常精确,我们可以真正开始在表面绘制湖泊边界。”

科学家们假设南极洲冰下水的交换是由多种因素综合作用的结果,包括上面冰层巨大重量施加的压力的波动、冰盖底部和下面岩石之间的摩擦、以及来自地下的热量,它们被冰层的厚度所隔离。这与格陵兰冰盖形成了鲜明的对比,在格陵兰冰盖,冰床上的湖泊充满了从表面裂缝和洞中流出的融水。

为了研究冰川下湖泊更频繁填满和流出的地区,Siegfried与Fricker合作,Fricker在设计ICESat-2任务从太空观察极地冰的方式中发挥了关键作用。

齐格弗里德和弗里克的新研究显示,一群美世湖泊包括康威和湖泊在美世和Whillans冰流在南极洲西部正在经历一段排水原始卫星任务以来第三次测量海拔2003年冰盖表面的变化。这两个新发现的湖泊也坐落在这个地区。

除了提供重要的数据外,这项研究还揭示了随着水进入和离开水库,湖泊的轮廓或边界会逐渐改变。

齐格弗里德说:“我们确实在描绘目前存在的任何高度异常。”“如果有湖泊充盈和排水,我们将用ICESat-2探测到它们。”

“帮助我们观察”在冰原下

如果科学家们想要更好地了解南极洲的冰下管道系统,以及淡水如何改变上面冰盖的速度或最终流入的海洋环流,对基底融水的精确测量是至关重要的。

一个巨大的圆顶状冰层覆盖了南极大陆的大部分地区,南极冰盖像超级厚的蜂蜜一样从大陆中部缓慢地向外流动。但当冰接近海岸时,它的速度急剧变化,变成像河流一样的冰流,使冰快速地流向海洋,速度每天可达几米。冰移动的快慢部分取决于融水在基岩上滑动时对冰盖的润滑方式。

随着冰盖的移动,它会出现裂缝、裂缝和其他缺陷。当冰下的湖泊蓄水或失水时,它们也会使上面冻结的表面变形。无论大小,ICESat-2利用激光高度计系统将这些高程变化精确到几英寸,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,将为了解冰盖的命运提供至关重要的见解。重要组成部分的冰川学家已经发现了什么冰盖在过去的20年里来自遥远的极地冰是如何改变,以应对在大气和海洋变暖,但隐藏的过程,如冰下湖泊系统运输水也将南极冰盖的关键在将来的研究中,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面正在进行的这些过程。”弗里克强调,她2007年的发现使冰川学家们能够确认南极洲隐藏的管道系统比之前想象的要快得多。“我们一直在努力预测南极洲的未来,像ICESat-2这样的仪器正在帮助我们在过程尺度上进行观察。”

“一个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不为人知的秘密之一。由于该大陆的冰川下水文在水的流动中发挥了关键作用,齐格弗里德还强调了冰盖与地球其他地方的联系。

“我们谈论的不仅仅是冰盖,”齐格弗里德说。“我们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,是冰架的延伸。他们的研究报告称,2019年,在南极洲东部从湖底到Amery冰架底部出现裂缝或裂缝后,一个被冰覆盖的大型湖泊突然崩塌。

利用来自ICESat-2的数据,研究小组分析了冰架地貌的变化。这次事件留下了一个巨大的洼地,面积约为4平方英里(约10平方公里),是纽约市中央公园面积的三倍多。这条裂缝在三天内将将近2000亿加仑的淡水从冰架表面输送到下面的海洋。

在夏季,成千上万的蓝绿色融水湖点缀着南极洲明亮的白色冰架表面。但这一突然事件发生在隆冬,科学家们预计冰架表面的水会完全冻结。因为ICESat-2以精确重复的地面轨道绕地球运行,它的激光束可以显示湖泊干涸前后地形的剧烈变化,即使是在极地黑暗的冬季。

塔斯马尼亚大学(University of Tasmania)澳大利亚南极项目伙伴关系(Australian Antarctic Program Partnership)的冰川学家罗兰·华纳(Roland Warner)是这项研究的主要作者,他首先在美国国家航空航天局(NASA)和美国地质调查局(U.S. Geological Survey)的联合任务——陆地卫星8号(Landsat 8)发回的图像中发现了伤痕累累的冰架。沃纳说,排水事件很可能是由水力压裂过程引起的,在这个过程中,大量的湖水导致了一个表面裂缝,直接穿过冰架进入下面的海洋。

沃纳说:“由于浮冰架表面水的重量减少,整个冰架以湖泊为中心向上弯曲。”“光靠卫星图像是很难弄清楚这一点的。”

在温暖的月份里,南极洲冰架上的融水湖和融水流很常见。由于科学家们预计,随着气温升高,这些融水湖将更加常见,因此在未来几十年,水力压裂的风险也会增加。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了Amery冰架上观察到的湖泊的消亡还为时过早。

用测高数据见证冰碛垄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。

弗里克说:“我们从卫星测高学到了很多关于冰盖动态过程的知识,我们计划用下一代测高卫星来延续这一记录是至关重要的。”

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罗伯托·摩尔·坎达诺萨,美国宇航局地球科学新闻组报道

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艾伦灰色
美国宇航局/戈达德太空飞行中心
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