天空上看,南极盖可能看起来像一个平静的、永久的冰毯,已经覆盖南极洲数百万年了。但是,冰盖最厚时可达数千米深,在其底部与陆基岩相接处隐藏着数百个融湖。在地表深处,一些湖泊通过水道系统不断充盈和排水,最终排入海洋

现在,有了NASA太空中使用过的最先进的地球观测激光仪器,科学家们改进了他们对南极西部冰盖下隐藏湖泊系统的地图,并发现了另外两个活跃的冰川下湖泊。

这项新的研究为从太空中发现新的冰川下湖泊,以及评估这一隐藏的管道系统如何影响冰块滑入南大洋的速度,增加可能改变其循和生态系统的淡水,提供了关键的见解。

NASA的冰、陆地海拔卫星2号(ICESat-2),让科学家们能够精确地绘制冰川下湖泊的地图。卫星测量了冰层的高度。尽管冰层非常厚,但冰层会随着冰层下湖泊的充盈或清空而上升或下降。

数以百计的融水湖深藏在南极洲广阔的冰盖之下。凭借强大的太空激光高度计系统,NASA的冰、云和陆地高程卫星 2 (ICESat-2) 帮助科学家“看到”冰下的情况。
视频来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

这项研究于7月7日发表在《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上,整合了ICESat-2的前身——最初的ICESat任务以及欧洲航天局(European Space Agency, ESA)专门用于监测极地冰层厚度的卫星CryoSat-2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)斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)的冰川学家海伦·阿曼达·弗里克(Helen Amanda Fricker)取得了一项突破,帮助更新了人们对南极洲冰川下湖泊的经典认识。

通过使用2007年ICESat的数据,弗里克首次发现,在南极洲快速流动的冰流之下,有一个完整的湖泊网络彼此连接,随着时间的推移不断充盈和排水。以前,人们认为这些湖泊是静态储存融水的,不会充盈和排水。

“在冰床界面发现这些相互连接的湖泊系统,使周围的水流动,并对冰川学、微生物学和海洋学产生影响——这是ICESat任务的一个重大发现,”科罗拉多矿产学院(Colorado School of Mines, Golden)地球物理学助理教授马修·西格弗里德(Matthew Siegfried)说。他是这项新研究的首席研究员。“ICESat-2就像你在使用ICESat后戴上眼镜,数据非常精确,我们可以真正开始绘制湖面边界。”

科学家们假设,南极洲冰川下的水交换是由多种因素共同作用的结果,包括上面冰盖巨大重量施加的压力的波动,冰盖和下面岩石之间的摩擦,以及被冰盖厚度隔离的地下热量。这与格陵兰冰盖形成了鲜明的对比,在格陵兰冰盖上的湖泊充满了融化的水,这些水通过冰盖表面的裂缝和孔排出融化的水。

为了更频繁地利用卫星数据研究冰川下湖泊充盈和排水的区域,齐格弗里德与弗里克合作,弗里克在设计ICESat-2从太空观测极地冰的任务中发挥了关键作用。

齐格弗里德和弗里克的新研究显示,自2003年最初的ICESat任务开始测量冰盖表面的海拔变化以来,包括南极洲西部美世(Mercer)和惠兰斯 (Whillans)冰流下的康威(Conway)和美世(Mercer)湖在内的一组湖泊正在经历第三次排水期。两个新发现的湖泊也位于这一区域。

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

“我们正在绘制当前存在的任何高度异常,”齐格弗里德说。“如果有湖泊充盈和排水,我们将用ICESat-2探测它们。”

“帮助我们观察”冰盖下的情况

如果科学家想更好地了解南极洲冰盖下的管道系统,以及所有淡水可能如何改变上方冰盖的速度或最终流入的海洋环流,那么对基底融水的精确测量至关重要。

一个巨大的圆顶状的冰盖覆盖了大部分大陆,南极冰盖从大陆中部缓慢地向外流动,就像超级浓稠的蜂蜜一样。但是,当冰盖接近海岸时,它的速度发生了巨大变化,变成了像河流一样的冰流,这些冰以每天几米的速度迅速流入海洋。冰盖移动的快慢在一定程度上取决于冰盖在基岩上滑动时融水润滑冰盖的方式。

随着冰盖的移动,它会出现了裂缝、裂隙和其他缺陷。当冰下的湖泊获得或失去水时,它们也会使上面的冰面变形。无论大小,ICESat-2都会使用激光高度计系统绘制这些海拔变化图,其精度可达几英寸,能够以前所未有的细节测量地球的表面。

ICESat-2将为科学家提供高度测量数据,从而绘制出地球的第三维全球图景,收集数据可以精确跟踪包括冰川、海冰、森林等地形的变化。ICESat-2上的单一仪器是ATLAS,即高级地形激光测高系统,它将测量融化的冰盖并调查其如何影响海平面上升,调查冰盖和冰川的质量变化,估算并研究海冰厚度,并测量全球森林和其他生态系统植被的高度。
视频来源:NASA/Ryan Fitzgibbons

通过长期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信息。弗里克说,在过去20年中,冰川学家对冰盖的发现的一个重要部分来自于对极地冰如何因大气和海洋变暖而变化的观察,但是隐藏的过程,如湖泊系统在冰下输送水的方式,也将是未来研究南极冰盖的关键。

弗里克说:“如果没有卫星数据,我们就无法了解南极洲下面正在发生的过程。”她强调,2007年的发现使冰川学家能够确认,南极洲隐藏的管道系统的输水速度比之前认为的要快得多。“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规模上进行观察。”

与整个地球系统相连的水系统

来自冰盖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。由于这块大陆的冰盖下水文在移动这些水的过程中起着关键作用,齐格弗里德还强调了冰盖与地球其他地区的联系。

“我们谈论的不仅仅是冰盖,”齐格弗里德说。“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,冰架是一块大冰板,作为冰盖的延伸漂浮在海洋上。他们的研究报告称,2019年,从湖底到南极洲东部阿梅里(Amery)冰架底部出现裂缝后,一个覆盖着冰的大湖突然崩塌。

利用来自ICESat-2的数据,该团队分析了冰架地形的崎岖变化。这一事件造成了一个巨大的地陷,面积约为4平方英里(约10平方公里),是纽约市中央公园的三倍多。裂缝在三天内将近2000亿加仑的淡水从冰架表面注入了海洋。

在夏季,成千上万个绿松石色的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时节,科学家预计那时冰架表面的水将完全冻结。由于ICESat-2的轨道与地面轨迹完全相同,因此它的激光束可以显示湖泊干涸前后地形的剧烈变化,即使是在极地冬季的黑暗时期。

上面的高度剖面图是由NASA的冰、云和陆地高度卫星2号(ICESat-2)使用高级地形激光高度计系统(ATLAS)获得的。图片显示了卫星在2019年经过南极洲阿梅里冰架表面突然坍塌的冰盖湖时,由三束不同的ATLAS激光束获得的高程数据。
图片来源:美国宇航局地球观测站

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)的冰河学家罗兰·华纳(Roland Warner)是这项研究的第一作者。他是在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)拍摄的图像中首次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,大量的湖水导致表面裂缝穿过冰架,流入下面的海洋。

“由于浮冰架表面失去了水的重量,整个冰架以湖为中心向上弯曲,”华纳说。“如果只是盯着卫星图像就很难搞清楚这一点。”

利用测高数据来见证落水洞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:“我们已经从卫星测高中了解了很多关于冰盖动态过程的信息,至关重要的是,我们要为下一代测高卫星进行规划,以延续这一记录。”。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-space-lasers-map-meltwater-lakes-in-antarctica-with-striking-precision

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