科学家首次观测到南极冰盖运动的季节变化

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科学家首次观测到南极冰盖运动的季节变化

南极冰盖可能遭受一到两次的气候冲击

为什么南极冰盖会“走路”？

研究人员在南极冰层下探测到大量地下水

一、科学家首次观测到南极冰盖运动的季节变化

来自剑桥大学和奥地利工程公司ENVEO的研究人员在南极半岛上发现了流入乔治六世冰架的陆基冰流中的独特季节性运动 —— 一个大约威尔士大小的浮动冰平台。

研究人员使用来自哥白尼/欧洲航天局哨兵-1号卫星研究发现，在南极洲夏季，为冰架提供食物的冰川速度加快了大约15%。这是第一次在流入南极洲冰架的陆地冰上检测到这种季节性周期。

南极洲大陆

虽然北极和高山地区的冰流在夏季加速并不罕见，但科学家们此前曾假设南极洲的冰不受相同的季节性运动的影响，特别是在它流入大型冰架并且一年中大部分时间温度低于冰点的地方。

这一假设也部分地受到过去在冰冷的大陆上收集的图像的缺乏推动。“与格陵兰冰盖不同，格陵兰冰盖的大量数据使我们能够了解冰层如何从一个季节到另一个季节，每年移动，直到最近，我们还没有可比的数据覆盖率来寻找南极洲的这些变化。“卡拉·博克索尔说。 他来自于剑桥大学相比斯科特极地研究所，系该研究的第一作者。

格陵兰岛冰盖

“对南极半岛冰速变化的观测通常是连续几年测量的，所以我们一直缺少很多更精细的细节关于全年流量如何逐月变化，“合著者—— 弗雷泽·克里斯蒂博士说，来自英国国家统计局。

在Sentinel-1卫星能够详细记录冰速之前，想要研究南极冰流的短期变化的科学家必须依靠更加先进的光学卫星收集相关信息，例如美国宇航局陆地卫星-8。

“光学测量只能在夏季无云的日子里观察地球表面，”合著者托马斯·纳格勒博士说，“但是通过使用Sentinel-1雷达图像，我们能够发现季节性冰流的变化，这要归功于这些卫星在全年和全天候条件下进行监测的能力。

南极洲卫星图像

目前，这种季节性变化的原因尚不确定。它可能是由于地表融水到达冰的底部并充当润滑剂引起的，就像在北极和高山地区的情况一样，或者可能是由于相对温暖的海水从下面融化了冰，使浮冰变薄并允许上游冰川更快地移动。

“这些季节性周期可能是由于任何一种机制，或者是两者的混合，”克里斯蒂说。“需要详细的海洋和表面测量，以充分了解为什么会发生这种季节性变化。

结果表明，在南极洲其他更脆弱的地点可能存在类似的季节性变化，例如南极洲西部的松树岛和斯维特冰川。“如果这是真的，这些季节性特征在南极冰质量损失的一些测量中可能无法捕获，这对全球海平面上升估计具有潜在的重要影响，”Boxall说。

“这是第一次在南极冰盖上发现这种季节性信号，因此它提出的关于南极洲其他地方可能存在和季节性原因的问题非常有趣，”合著者说。伊恩·威利斯教授，也来自国家统计局。“我们期待仔细研究并阐明这些重要问题。

该研究得到了自然环境研究委员会（NERC），英国研究与创新（UKRI）的一部分，摩纳哥基金会阿尔贝二世亲王和欧洲航天局的部分支持。

一、南极冰盖可能遭受一到两次的气候冲击

南极冰盖可能遭受一到两次的气候冲击

长期以来，科学家们一直推测地球的气候系统与地球的天体运动密切相关。最近的冰河时代的节奏,例如,变化可归因于地球围绕太阳公转轨道的形状以及周期变化地球地轴的倾斜和“顶”摆动轴,所有这些结合影响太阳辐射的分布和强度。现在,事实证明,轴倾角的变化,科学家称之为“倾斜”——行星产生重大影响的南极冰盖的兴衰,冰的英里深的毯子,锁定了大量的水,如果融化,海平面将极大地提升和改变世界的海岸线。

一项研究描述了地质记录研究相匹配的南极洲的冰周期天文地球的运动。新西兰和威斯康辛的研究人员对这两项记录进行了比较，概括了过去3400万年间南极冰盖的 历史 。支持南极冰盖新观点的是对地球气候系统对倾角变化的敏感性进行的精细化评估，这是 探索 南极冰川史的有力工具。

这项研究很重要，因为它梳理了冰盖在地质时期的生长和衰退模式，包括海冰的存在，这是南极洲周围一层薄薄的脆弱的冰冻海洋。一项关键的发现表明，在一个被越来越多的大气二氧化碳变暖的世界里，海冰的消失可能会放大海水变暖时地球倾斜对冰盖的周期性影响。气候变暖导致的海冰减少可能引发南极冰盖的不稳定，对全球海平面造成严重影响。“这项研究所做的是描绘南极冰盖的生长和衰退特征，并阐明是什么迫使它发生变化，”威斯康星大学麦迪逊分校地球科学教授梅耶斯解释说。“通过这项工作和其他研究，我们可以清楚地看到，南极冰盖并不仅仅存在于那里。它很容易腐烂。

20世纪50年代末，威斯康辛大学麦迪逊分校的冰川学家查尔斯·本特利首次测量了南极西部冰盖的冰含量，其含量足以使海平面上升约5米。到目前为止，大陆冰盖是地球上最大的单一冰块。一些地方有几英里深，含有2600多万平方公里的冰。本特利和他的同事们发现，南极西部的冰盖非常重，大部分位于海平面以下数千米的陆地上，在某些地方形成了海洋冰盖。列维和迈耶斯注意到，海洋冰盖对洋流传递的热量特别敏感。南极西部快速流动的内陆冰流被浮冰架支撑着，如果浮冰架减少或消失，就有可能导致南极西部的海洋冰流失控。

新的研究表明，由于气候变化导致的海冰减少将侵蚀保持冰盖(包括低于海平面的部分)的屏障。“海冰在海洋和冰之间形成了一道屏障。如果我们未能实现二氧化碳减排目标和地球的平均气温变暖超过2摄氏度,海冰将削弱我们跳进一个世界更类似于去年经历了早期mid-Miocene,”Levy说,引用一个地质时代结束,大约1400万年前,地球和它的极地更温和,大气的增压与二氧化碳和全球气温平均温度升高3到4摄氏度(7到9华氏度)。

为了重现冰盖的 历史 ，迈耶斯和利维查阅了南极洲周围的地质记录，并将它们与更遥远的深海海洋沉积物岩芯联系起来。这些岩芯中含有海洋微生物(有孔虫)的化石外壳。迈耶斯解释说，有孔虫壳的化学成分，尤其是氧同位素，包含了记录南极冰层涨落的特征。生活在深海的有孔虫在外壳中积累同位素，不同的氧同位素可以产生南极冰盖体积变化的详细化学记录。

利维和迈耶斯说，这些地质记录表明，由于地球天文参数的可预测变化和大气二氧化碳水平的阈值变化，南极冰盖的大小存在显著差异。在这项新的研究之前，为什么冰盖在不同的时间对相同的天文周期有不同的反应是一个谜。连接这些周期的详细化学记录表明,大气中二氧化碳升高和由此产生的损失在南极海冰放大的影响中扮演了重要角色的变化在地球的天文运动在南极冰盖的耐用性和稳定性。

列维说:“所有这些数据都表明，我们需要采取行动，减少温室气体排放。”他指出，经过几十年的增长，南极海冰在2017年和2018年减少了。“我们不想失去那些海冰。”

二、为什么南极冰盖会“走路”？

山谷冰川顺势向下运动的现象，早已被人们所知晓，但是巨大冰盖的缓慢移动现象，却是美国科学家首先切身体验到的。那是在1957年，美国在南极极点设置了一座观测基地，即阿蒙森一-斯科特南极极点科学站。
到了 20世纪70年代初， 工作人员发现，本来正好设在南极极点的观测站，已经离开了极点，向南美洲方向 “移动”了100多米，平均每天移动将近3厘米。 究其移动原因，发现是冰层在移动，建在冰层上的科学站离极点越来越远，是随冰“漂流”的结果。
为保持在极点进行科学观测，必须依据冰层的移动速度，隔 几年就重建一次科学站。南极冰盖“移动”的另一个显著标志，是南极周围海域漂浮的数
以万计的冰山。有的冰山十分庞大，如1956年美国观测到一座罕见的大冰山，长达333千米， 宽75千米。
据估计，南半球海域冰山总面积约为6250平方千米。这些冰山不断 地从南极冰盖边缘产生，冰盖的高度又无明显变化，说日月整个冰盖为形成冰山输送冰源。现已查明，南极冰盖的运动中心并不在南极点附近，大致在南纬81°、东经78°的地方。
这里是冰盖最高的位置，海拔高度超过4 200米。 南极冰盖从这里出发， 以平均每昼夜半米左右的速度，向四面八方流去。南极冰盖下面的地形高低错落，崎岖不平，坚硬的冰盖为什么会不受阻挡地流动呢？这是因为:一方面南极冰盖自身形成的压力太大了。
冰盖最厚的地方，接近 世界最高的珠穆朗玛峰的一半，它对下边每平方厘米的地面，可产生3 708牛顿的 压力。 如此巨大的压力不仅可以为冰盖运动提供足够的动力，还可以使地壳变形。

另外，坚硬的固态冰在强大压力的作用下，会变成可塑状态，就像刚出锅的年糕，变 得柔韧绵软。并且冰的融点在重大压力下会降低，因此冰盖底部会有受压融化的 现象。这样一来，尽管地面崎岖不平，南极冰盖也能在自身压力、塑性变态和融水滑润的共同作用下，畅通无阻地向大陆边缘流动。

三、研究人员在南极冰层下探测到大量地下水

研究人员在南极冰层下探测到大量地下水

　　研究人员在南极冰层下探测到大量地下水，研究人员第一次绘制出冰盖下部分区域的地图。研究指出，南极洲冰面下隐藏着大量的水。研究人员在南极冰层下探测到大量地下水。

　　研究人员在南极冰层下探测到大量地下水1

　　研究人员首次发现了南极冰流下的地下水。这一发现证实了科学家们已经怀疑但直到现在还无法验证的事实。科学家们需要来自南极冰盖所有部分的数据以了解该系统如何运作以及它是如何随着时间的推移对气候作出反应而变化。

　　这项研究让人们看到了南极冰盖中一个以前无法进入和未被探索的部分，并且还提高了科学家对它可能影响海平面的理解。

　　加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的博士后研究员Chloe Gustafson指出：“冰流非常重要，因为它们将南极洲约90%的冰从内部输送到边缘。这些冰流底部的地下水可以影响它们的流动方式，从而有可能影响到南极大陆上的冰的运输方式。”

　　尽管研究小组只对一条冰流进行了成像，但在南极洲还有很多。Gustafson说道：“这表明，在更多的南极洲冰流下面可能有地下水。”

　　来自斯克里普斯海洋学和哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的一个科学家团队领导了这个项目。Gustafson和六位合作者在2022年5月6日的《科学》上报告了他们的发现。

　　这项研究的报告共同作者、斯克里普斯冰川学家和斯克里普斯极地中心的共同主任Helen Amanda Fricker说道：“从我们对地球如何运作的理解来看，南极洲下面有地下水，这一直是一个假设，但我们之前一直无法测量它。”

　　研究人员在2018-2019年的野外季节通过使用一种称为磁电法的地面地球物理电磁(EM)方法测量地下水。该方法利用地球电场和磁场的变化来测量地下的电阻率。这项研究是第一次使用这种方法来寻找冰川冰川下的地下水。

　　Fricker表示：“这种技术通常没有在极地环境中使用过。这很好地证明了这项技术的威力及它不仅能给我们带来对南极洲的了解，而且还能给格陵兰岛和其他冰川地区带来多大的了解。”

　　自20世纪90年代以来，该技术一直在南极洲使用，但那些研究旨在对深度远低于10公里的深层地壳特征成像。然而这些研究确实产生了一个效果，即证明了科学家也可以在冰和雪上使用磁遥感技术。

　　Gustafson表示：“我们采用了他们的例子，并将其应用于一个浅层的水文问题，在5公里的冰下环境中。”

　　在过去的十年时间中，机载电磁技术被用来对麦克默多干谷的一些薄冰川和永久冰冻区下面的100到200米的浅层地下水进行成像。但这些技术只能看穿约350米的冰层。

　　Gustafson及其同事收集数据的惠兰斯冰川其厚度约为800米。他们的新数据填补了以前那些深层和浅层数据集之间的一个巨大空白。

　　哥伦比亚大学地球和环境科学副教授、斯克里普斯海洋学系校友Kerry Key指出：“我们从冰床到约五公里甚至更深的地方进行了成像。”

　　“我的希望是，人们将开始把电磁学视为标准南极地球物理工具箱的一部分，”Gustafson说道。

　　据了解，这项新研究是基于被动收集的、自然产生的`磁电信号来测量电阻率的变化。

　　Gustafson表示，由于淡水会在他们成像中跟咸水显示出很大的不同，所以这相当于告诉了他们关于地下水的特征。

　　中华盛顿大学的合作者Paul Winberry提供的地震成像数据则增强了电磁测量的效果。这些数据证实了在现场团队的磁电测量之间的60英里范围内存在着埋藏在冰雪之下的厚重沉积物。

　　研究人员计算出，如果他们能将地下水从沉积物中挤压到地表，将能形成一个深达220至820米的湖泊。

　　Key指出，地下水可能存在于其他行星或卫星的类似条件下，而它们正在从其内部释放出热量。“你可以想象在液体的内部有一个冰冻的盖子，不管它是完全的液体还是液体饱和的沉积物。你可以认为我们在南极洲看到的东西可能类似于你在木卫二或其他一些冰雪覆盖的行星或卫星上发现的东西。”

　　此外，冰川下的地下水的存在对大量碳的释放也有影响，这些碳以前则是由适应海水的微生物群落储存的。

　　“地下水运动意味着有可能有更多的碳被输送到海洋中，而不是我们以前所考虑的那，”Gustafson说道。

　　研究人员在南极冰层下探测到大量地下水2

　　长期以来，研究人员一直怀疑南极洲的冰面下可能埋藏着地下水，但直到现在还没有确凿的证据。

　　在5月5日发表于《科学》的一项研究中，科学家给南极洲做了一个“巨型核磁共振”成像研究，并第一次绘制出冰盖下部分区域的地图。研究指出，南极洲冰面下隐藏着大量的水。

　　在南极洲的冰盖内，相对快速移动的冰通过冰走廊流向海洋。美国加州大学圣迭戈分校的Chloe Gustafson说：“冰流负责将南极洲90%的冰带到边缘，所以它们对于了解南极洲的冰最终如何进入海洋非常重要。”

　　“这有点像水滑梯。如果冰流底部有水，它就可以走得很快，但如果没有水，就走得没那么快。”她说，推动冰移动离不开液态水，因为水可以起到润滑作用，形成平整面。

　　研究人员已经知道，冰流和地面之间可能存在浅水池，通常是几毫米到几米深。但是Gustafson和同事想知道，在南极洲西部的惠兰斯冰流下面是否有一个更大的流动水池。

　　通过测量地震活动和电磁场，研究小组发现了一层千米厚的沉积物，包含了新鲜冰川水和古海水的混合物。其含水量是冰流下面较浅水池的10倍多，而且水似乎在深部区域和浅部区域之间流动。

　　这种明显的联系表明，地下水可能对控制冰流的速度很重要，同时这一过程对于预测气候变化对海平面的影响至关重要。

　　Gustafson表示：“整个南极洲冰盖含有足以导致海平面上升约57米的水。最终，我们希望了解冰从大陆流入海洋的速度，以及对海平面上升的影响。”

　　研究人员在南极冰层下探测到大量地下水3

　　在南极洲冰层以下的沉积物中，科学家首次发现了一个巨大的地下水系统。根据日前发表在《科学》杂志上的新研究，这一地下水系统可能与湿海绵一样稠密，揭示了该地区未被勘探的部分，并可能对南极洲如何应对气候危机产生影响。

　　覆盖南极洲的冰盖并不是一个坚硬的整体。南极洲的研究人员近年来发现了数百个相互关联的液态湖泊和河流，它们蕴藏在冰层中。但这是第一次在冰下沉积物中发现大量液态水。

　　研究人员集中研究了约96.6公里宽的惠兰斯湖冰流，这是流向世界上最大的罗斯冰架的六条冰流之一。

　　研究人员使用大地电磁成像技术，在2018—2019年测量了地下水，并绘制了冰层下的沉积物地图。该技术可以检测冰、沉积物、基岩淡水和盐水传导的不同程度的电磁能，并根据这些不同的信息源创建地图。这项研究是第一次使用这种技术来寻找冰川下的地下水。

　　研究人员计算出，如果从100平方公里的沉积物中挤出地下水，那么它将形成一个220米到820米高的水柱，至少是冰层内和冰层底部浅水系统的10倍，甚至可能比这还要高得多。

　　该研究的主要作者、美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的博士后研究员克洛伊·古斯塔夫森打比方说，美国帝国大厦高达420米，

　　“在较浅的一端，南极冰层地下水水柱可以达到帝国大厦的一半高。在最深的一端，几乎达到了两座帝国大厦堆叠在一起的高度。这一点很重要，因为这一地区的冰下湖泊有2到15米深，仅仅只是帝国大厦的一到四层楼高”。

　　测绘显示，随着地下水的深入，水变得越来越咸，这是地下水系统形成的结果。

　　海水可能在5000至7000年前的温暖时期到达该地区，使沉积物被咸海水浸透。当冰层前进时，由上方压力和冰基摩擦产生的新鲜融水被迫进入上部沉积物。研究论文合著者、哥伦比亚大学地球与环境科学副教授克里·基称，现在它可能会继续向下过滤并混合到地下水中。

　　研究人员表示，需要做更多的工作来了解地下水发现的影响，特别是与气候变化和海平面上升有关的影响。