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南极冰事(28)冰盖下的水系 精选

已有 5585 次阅读 2023-10-8 21:36 |系统分类:科研笔记

南极冰事(28)冰盖下的水系

张武昌2023108日星期日

 

2012210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。

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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。

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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。

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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

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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。

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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 Kropotkin1842129日-192128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 Kapitsa1959-1964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。

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 Peter Kropotkin一战成名,看这世上还有谁瞧不起科学家。

1996年,共有77处冰下湖被发现。

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2005年共发现了145处冰下湖。

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2012年共发现了381处冰下湖。

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2016年,发现的冰下湖达到402个。

 2022年,累积发现有675个。

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打穿Vostok

 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。

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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。

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南极的冰芯打钻在1950年代就开始了,但是第一个深钻是1968Byrd 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。

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在尝试了4个钻孔后(1G, 2G, 3G, 4G,类似手机换代),1990219日,深钻5G开始了,19911227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。

19981月,到达3623米。此时,估计距离东方湖湖面100米。

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20061月,5G-1钻孔继续,到达3667米。

201225日下午1025分当地时间,5G-25G-13600米深度分支出来,达到3769.3米打穿湖面

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20122月10日,那瓶珍贵的东方湖的湖水就飞到了总统办公室。

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2015年1月,5G-35G-13458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

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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。

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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。

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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

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然后用计算机模型估计河流的位置。

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然后用加热的方法打穿冰盖,洞口约有40 厘米。

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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。

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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”。






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