南极的冰有多厚#

人们一提到南极,脑中首先呈现的景象是冰雪覆盖的白色大陆南极冰盖总面积1 3 7 2万平方千米, 大约有1.3个中国国土那么大。

南极冰储量占到地球上冰川的9 0 %,全球淡水总量的70%。

南极冰体的体积总共2 7 0 0 万立方千米,你可以设想一个3 0 0千米长、3 0 0千米宽、3 0 0 千米高的立方体!

如果整个南极冰盖融化并流到海洋里,能使海平面上升至少60米,将导致像上海这样的大多数沿海城市被淹没。

如何测量巨厚的冰层

你也许会想到,如果利用工具从冰盖表面一直“挖”到底部的地表岩石上,取出整个冰柱来测量一下,不就知道冰的厚度了吗?没错,这种方法叫冰芯钻探技术。在大多数情况下,南极冰盖上的冰芯钻探,会顺带测量冰厚。

但是,钻探的主要目的是通过冰芯去反推地球在古代的气候,而不是专门去测量冰厚的。因为冰芯钻探费时费力、花费也巨大,而且只能覆盖很少的范围,因此大范围的冰厚测量并不使用这种方法。

大范围测量冰盖厚度用的是一种在20世纪60年代开始使用的技术,称为冰雷达探测。冰雷达探测冰厚的最大好处,是不需要直接“接触”冰体就能把冰厚测量出来。这是如何做到的呢?原来,根据19世纪物理学发展出来的一套叫麦克斯韦方程组的电磁波理论,冰体对某个波段或者频段的雷达波而言,就像空气对于光线一样是“透明”的。

雷达波可以畅通无阻地在冰盖中旅行,遇到冰盖底部坚硬的岩石时,雷达波就像光线遇到平面镜一样会反射回来。如果我们知道雷达波在冰盖内部传播的速度(在冰体中的平均速度大约是167000千米/秒),以及它从冰盖表面到冰盖底部岩床再反射回冰盖表面的时间,就能立即计算出冰盖的厚度了。我们可以将雷达装置搭载在雪橇、雪地摩托、飞机或者卫星上,“扫描”冰盖表面,每覆盖一个区域,这个区域的冰厚就很快被测量出来。通过这种方式以及其他估算方法的配合,就可以知道整个南极冰盖的厚度。

南极大陆上的冰到底有多厚呢?说出来吓你一跳。根据极地科考人员的测量,南极冰盖的平均冰厚有2000米,许多地方的冰厚甚至超过4000米。例如在南极内陆的兰伯特大裂谷,0从冰面直到裂谷底部的冰体厚度超过了4800米!


南极冰盖卫星影像图


南极的冰雪之下有什么

如果把南极冰盖整个“拿掉”,冰盖下面的大陆是什么样的?会像地球其他地方一样有山脉、裂谷甚至湖泊吗?

要知晓南极冰雪之下的地形,首先我们要知道冰盖表面的海拔高度,也就是相对于海平面的高度,然后减去测得的冰厚,就能得到冰下地形的海拔高度。这个由冰下地形的海拔高度集合起来的图像就是南极冰下的地形图了。实际上,冰盖表面的海拔高度往往通过全球卫星定位系统来获得。

用冰雷达探测冰盖时,除了冰盖底部的冰- 岩石界面有强烈的反射外,冰下如果有水,水体的表面也会像岩石表面一样反射雷达波,不同的是冰下水面往往如同我们在公园里看到的湖面那样呈现平坦光滑的特征,而冰下岩石表面具有起伏不定的几何特征。不管是冰下冰——水界面还是冰——岩石界面都能从雷达图像中清晰地识别出来。识别出来的水面特征和被冰体、岩石包围的水体实际上就是冰下的一个湖泊,现在称为“冰下湖”。

现在我们知道,南极冰盖下方,有着极其复杂的地形,如像欧洲阿尔卑斯山一样巨大的山脉——甘布尔采夫山脉,如东非大裂谷一样壮观的兰伯特大裂谷,如贝加尔湖般幽深的冰下湖泊——东方湖。

冰下湖和冰下河流


南极冰层下的湖

“冰下湖”这个概念最早来自19世纪的俄罗斯科学家克鲁泡特金,他首先预言在巨大冰体的压力下,南极冰盖内部冰体的温度将缓慢上升,而最底部的冰体温度将可能最先达到融点,并可能融化为淡水。当出现体积很大的冰下水体时就自然形成“冰下湖”。后来,同是俄罗斯科学家的佐季科夫发展了这一理论。

南极冰下湖的首次发现则是俄罗斯科学家在1959-1964年的南极考察期间完成的。当时,安德烈•卡皮查去测量南极的冰厚,结果发现,就在俄罗斯东方站的冰盖下方,存在着一个巨大的湖泊——东方湖,这被认为是20世纪最伟大的地理发现之一。

东方湖面积达15 960平方千米,相当于半个贝加尔湖。它的水面在冰盖之下3700多米的深处,平均水深为344米,最大水深超过了800米。东方湖的水量达5400立方千米,是世界上第七大湖泊。湖面上方的冰盖底部的冰体据信是42万年前的积雪形成的。为了揭开冰下湖的神秘面纱,俄罗斯科学家在2012年2月8日钻透冰盖到达了东方湖的水表面,试图弄清东方湖里是否真的存在未知的自然现象,比如是不是有生命现象。

冰下湖夹在岩石地壳与数千米厚的冰盖中间,早先被认为像高原湖泊一样是彼此孤立的,应当很难有活动的空间。但是,最近的卫星测高结果出人意料地表明,许多冰下湖是相通的,随着上覆冰盖压力的变化,湖水可以迁徙流动,高海拔的冰下湖将水排泄到低海拔的冰下湖,最后流到冰盖边缘的海边。例如冰穹C的冰下湖群,16个月里大约有1.8立方千米的水从一个湖流到了290千米外的另外两个湖里去了。如果南极冰下湖之间发生急速排泄,则可能冲垮水流通道周围的“冰坝”,形成像河流决堤似的特大洪水。

通过对南极冰下湖的研究,也可为人类更好地了解宇宙中其他天体提供线索。譬如木星的卫星木卫二就被认为在其冰冷而光滑的冰体表面下可能也存在着广泛的湖泊系统。

冰下湖

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