南极冰事（28）冰盖下的水系

张武昌2023年10月8日星期日

2012年2月10日，来自南极Vostok冰下湖的封存了几十万年的湖水，来到了总统普京的办公室。

上一节我们讲述了南极冰盖上表面的地形，尤其是发现高极等标志性的地点。今天讲讲冰盖的下表面。

“冰雪构成的大陆”还是“覆盖着冰雪的大陆”

不知道大家注意到没有，科学史上一直没有提到谁发现了南极大陆，而是只提到别林斯高晋的考察队首先看到了南极大陆（https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39359&do=blog&id=1402633）。和他的竞争者一样，他们只是瞎子摸象般的看到了南极大陆的一小段，因此不能排除自己所见只是岛屿一部分的可能性，所以后世在知道了南极大陆的轮廓并确认了南极大陆存在后，检查这些探险者的资料，发现别林斯高晋是第一个看到南极大陆的人（探险队）。

 对南极大陆的认识和日心说一样，经历了从少数人相信向多数人相信（到现在还有人不相信）的过程，至今不知道是谁通过丰富的资料证明南极大陆作为一个大陆存在。

 别林斯高晋在记述中写到那是一个冰雪大陆 ice continent，这是个很有歧义的词，是冰雪构成的大陆（一块大的冰块而已，但是由于太大而像大陆，或者即使下面有陆地支撑，但是陆地面积很小，只是零星的岛屿），还是覆盖着冰雪的大陆，都有可能。

 所以南极测绘的一个重要内容就是看看下表面下是否有岩石，是岛屿支撑的大冰块还是冰块覆盖的大陆。

1959年，科学家通过冰面地震研究冰下基岩的地形，发现许多地方处于海平面以下，但是对研究断面的分析使得科学家相信冰面之下是一个大陆，如果冰面消失，大陆会反弹升高。

后来飞机雷达和遥感探测冰下岩石的深度积累了大量资料，目前我们知道南极大陆是一个冰雪覆盖的整体大陆，而不是多个岛屿，去掉冰盖之后，大陆的形状如下

如果将冰盖去除，我们会看到很多地方会被海水淹没，变成陆架。

冰下湖

19世纪末，俄国科学家Peter Kropotkin彼得·阿列克谢耶维奇·克鲁泡特金（俄语：Пётр Алексе́евич Кропо́ткин，英语：Pyotr Alexeyevich Kropotkin，1842年12月9日－1921年2月8日），首先提出了南极冰盖下面有液态淡水的想法，他提出岩石上面覆盖几千米的冰，巨大的压力会提高冰-岩界面的温度，导致冰融化。

1967年，俄国冰川学家I A Zotikov在博士论文中发展了上述理论，地质学家Andrey Kapitsa于1959-1964年用地震测深seismic soundings的方法研究了Vostok站附近的冰盖厚度，第一个提出了此处存在冰下湖的假说。

 要验证此处存在冰下湖，需要地震测深结果之外的确凿证据，之后60年代无线电回声测深Radio echo sounding (RES)逐渐成熟并搭载到飞机上，大大提高了工作效率。系统的RES冰盖测量在1970年代展开。

1969年的RES断面确认了Vostok站附近有冰下湖。到1973年已经发现了17处冰下湖。

 Peter Kropotkin一战成名，看这世上还有谁瞧不起科学家。

到1996年，共有77处冰下湖被发现。

2005年共发现了145处冰下湖。

2012年共发现了381处冰下湖。

2016年，发现的冰下湖达到402个。

 2022年，累积发现有675个。

打穿Vostok湖

 1974-75年的工作确认了vostok冰下湖的一些细节，位于4000米的冰层下，面积10000平方千米，好大。最大深度可能有125米，可能已有100万年的历史。冰的融化速度可能为1 mm每年。1993年确认这是南极最大的冰下湖，论文发表在1996年的Nature期刊上。

在所有的冰下湖中，Vostok冰下湖是最大的，幸运的是Vostok站就位于Vostok湖之上。

南极的冰芯打钻在1950年代就开始了，但是第一个深钻是1968在Byrd 站开始的，当时正值国际地球物理年。Vostok站的深钻开始于1989-90 夏季。

在尝试了4个钻孔后（1G, 2G, 3G, 4G，类似手机换代），1990年2月19日，深钻5G开始了，1991年12月27日，钻深达到2503米，钻头被卡住，在原钻孔深度2243米处转向继续，这一段称为5G-1。

1992-1993夏天，5G-1达到2755米。

1994-1995年夏天，达到3109米。

1998年1月，到达3623米。此时，估计距离东方湖湖面100米。

2006年1月，5G-1钻孔继续，到达3667米。

2012年2月5日下午10点25分当地时间，5G-2从5G-1的3600米深度分支出来，达到3769.3米打穿湖面，

2012年2月10日，那瓶珍贵的东方湖的湖水就飞到了总统办公室。

2015年1月，5G-3从5G-1的3458米处分支出来，达到3769米第二次打穿湖面。

此后陆续有其他冰下湖被打穿

冰盖下的河流  hidden under ice river

发现了冰下湖后，人们一直猜想，这些湖泊是独立存在的呢，还是有水道联通。

现在科学家相信在冰盖底部有巨大的河流网络。

南极冰盖在移动过程中会和基底岩石摩擦生热，加上地热的作用，这些热量会将冰底融化，速度约有每年几个毫米，但是由于冰盖面积非常大，所以每年积累的水量也很可观，会汇集成河流。这一点和格陵兰岛的地下河流不同。

a, 格陵兰冰盖表面融化，淡水通过冰裂隙到达基岩，形成河流，多数河流位于冰盖边缘，流程短小，只有一个大河（见变化中的北极系列），b南极冰盖冰雪表面温度较低，目前不能融化，基底冰融化的热量来自冰盖与基底摩擦生热和地热，南极冰盖下河流的流程较长。

科学家根据冰盖下的地形和冰盖上的起伏，利用计算机模型估计冰盖下有发达的水系，如下图。

现在的问题是如何证明它们的存在。

科学家的方法是打穿河流上面的冰盖，看看下面是否有河流。

2022年，真有人这么干了。

先用飞机仔细扫描冰底和冰面

然后用计算机模型估计河流的位置。

然后用加热的方法打穿冰盖，洞口约有40 厘米。

然后摄像头下到洞底，看到了下面的河流。

在一个河流从冰架下面流出的河口，他们发现了大量的浮游生物。

进一步的探索可能会发现更多的细节。

但是，随着全球变暖，冰盖正在缩减。

能在冰盖消失前完成这“进一步的探索”吗，请看下集“正在消失的冰盖”。