揭开隐秘的世界，极地冰下湖！
揭开隐秘的世界，极地冰下湖！
南极洲是神秘的冰雪世界，覆盖着平均厚度超过2400米的冰，还有形态各异的冰下湖。近期，我国科学家在东南极冰盖下新发现了46个冰下湖，这些湖泊位于数千米厚的冰层之下，具有独特的生态系统和丰富的冰盖历史和气候变化信息。
南极洲是神秘的冰雪世界，覆盖着平均厚度超过2400米的冰，还有形态各异的冰下湖。目前，这里已发现超过600个冰下湖。据数学模型估算，37%南极冰盖面积的底部都可能存在冰下湖，数量可能超过12000个。与之形成鲜明对比的是，直至2011年北半球格陵兰冰盖才发现4个冰下湖。
人们发现，南极冰下湖各有特点：一是大小不等，有的超200千米长、1千米深，有的则非常小，甚至深度小于1米；二是分布广泛，有的位于冰盖中心，有的位于冰盖边缘；三是水文特征差异大，有的封闭隔绝了很多年、聚集古老水体，也有的通过冰下水道已排空水体、寿命很短；四是地质学特征不一，有的位于冰下山脉山谷间，有的位于冰下平坦基岩之上；五是动力学特征各异，有的分布在缓慢流动的冰流下方，有的位于快速冰流区；六是湖上覆冰层厚度不均，有的位于冰下3000米深度以上，有的在冰盖边缘冰层很薄处之下。
南极 供图：赵勇
总体上，大部分冰下湖位于冰盖内部，约33%位于冰盖分冰岭100千米范围内。湖上冰层平均厚度约为3000米，约75%的冰下湖长度小于10千米，只有约5%的湖长度大于30千米。南极80%的冰下湖位于海拔不到几百米的地方，其余大部分在海拔较高的地方。
那么冰下湖是如何产生的呢？科学界目前认为主要有五种成因。
第一种是远古时期存在的水体——可能是内陆湖，也可能是跟海水相连的水体，随着冰盖的发育，将水体封存起来，形成冰下湖；第二种是冰盖底部基岩地热活动异常，温度过高的基岩地热将冰盖底部融化，形成冰下湖，这也是形成冰下湖的一个重要原因；第三种是如果冰体的厚度超过3000米，并配合冰下基岩地热活动和冰流过程，冰盖底部达到压力融点，就会融化产生水体，形成冰下湖；第四种原因比较特殊，是冰下有活火山，造成部分冰体融化成水体，形成冰下湖，但这种成因的冰下湖只存在于西南极，东南极并不存在；第五种是冰盖底部存在热岩，可持续释放热量，产生水体形成冰下湖。
冰下湖非常活跃，相距几百千米的湖水通过冰下水道彼此连通，且频繁发生水体交换，如短时间内急速排放水体，可能形成特大洪水。
为什么这些湖泊在零下70℃时不会结冰？科学界认为可能是以下两个原因：一是厚达千米的冰层给冰下湖提供了巨大的压力，导致冰下湖的冰点降低，即使温度在零下湖水也不会被冻结；二是南极冰下基岩下分布着大量的火山点，地热给冰下湖提供热量，让湖水不至于被冻结成冰。虽然每个冰下湖的温度可能不尽相同，但不管是哪种原因形成的冰下湖，其水体温度都在压力融点之上，因此不会结冰。
此外，不冻湖并非只是一种湖，按各自的特点分为冰间湖、冰下湖等，它们所处的位置与其他陆地和海洋上的不冻湖所处的位置有很大差异，两者可能和盐度有一定关系。盐度越高，湖水越不容易结冰。如果在冬天也不结冰，就证明它的盐度非常高，可以把它看成是咸水湖。
人们至今还没找到一个令所有人都信服的答案，关于南极不冻湖的奥秘还在持续探索中。
南极大陆面积约1400万平方千米，95%以上的区域被冰川覆盖，犹如头上戴了一顶巨大的“帽子”，被称为“冰盖”。这个地球上最大的冰盖，犹如一台安装在地球南端的“冷凝器”，冷却着从赤道来的热空气，调节全球热量平衡，影响全球气候变化。
深藏冰盖之下的冰下湖，就像一本从未被翻阅过的“无字天书”，可能记录着丰富的冰盖历史和地球气候变迁信息，对于研究全球气候变化意义非凡，并对探索冰流动态、基底水文过程、生物地球化学通量调节以及地貌演变等具有重要价值。
1998年，科学家在沃斯托克湖上钻取冰芯。这是钻探示意图。来源：英国南极调查局
然而，近年来随着气候变暖加剧，极地冰盖正加速融化。自20世纪初以来，西南极海洋温度已经上升了2℃，且升温仍在加速。自20世纪90年代以来，该地区的海洋变暖速度加快了2倍，其中最强烈的变暖发生在西南极大陆附近的冰川区域，那里冰架变薄，且后退得最快。
极地冰盖融化后，深藏地下的冰下湖会受到影响吗？这本“无字天书”是否会从地球上消失？
研究发现，随着全球变暖，冰盖退缩变薄，预计在冰面较为陡峭的地区，冰下湖的数量和规模会缩减。但南极和格陵兰冰盖下冰下湖分布存在明显的空间异质性，因此它们也受局地因素的复杂影响，比如岩床粗糙度、基底热量状态和地热通量等。
一般来说，预计东南极冰盖融化退缩将在变暖6℃~7℃时开始，这里的冰下湖可能在数千年的时间尺度上保持相对稳定，甚至可能由于地表冰盖融化进入基底而形成更多的冰下湖。
然而，由于冰川融水增加，冰下湖的排水量也将显著增加，排水活动的持续时间相对缩短，排水活动将变得更加频繁。当南极洲气温较工业化前水平高2℃~3℃时，可能导致西南极大规模冰川接地线（冰川底部与海水最初接触的位置，也是冰架的起点）后撤，海洋流域盆地崩塌。因此，由于冰川接地线后撤和冰架损失导致冰面变陡可能会引发冰下湖排水，并减小冰下积水的可能性。此外，冰盖融化后，冰覆盖层压力的降低也可能刺激引发火山活动，导致基底融化和冰下湖形成。
需要注意的是，当大陆冰盖变得不稳定时，冰下湖泊储存的冰川融水在冰盖底部的流动性加强，存在大量排放的可能性，冰川融水的排放过程也会反过来影响冰盖的稳定性，导致冰架崩塌速度加快。由于现有观测手段无法直接记录冰盖底部融水的释放过程，因此，目前对冰下融水的释放和冰盖退缩之间的联系还缺乏可靠认识。
可见，冰下湖的水体迁移调节着冰盖底部的水文和生物地球化学循环，湖水形成的排水系统向下游输送大量的液态水和沉积物。越过冰川接地线进入冰架下空腔的湖水，可能影响冰架-海洋相互作用，进而引发海洋环流变异。
2024年1月，中国第40次南极科学考察队队员在麒麟冰下湖的冰面架设气象站。供图：李传金
气候变暖在南极引发的一系列反应十分复杂，而且目前人类对冰下湖还知之甚少，但几乎可以肯定的是，冰下湖与海平面的变化存在联系，动态冰下湖水会影响冰盖的稳定性，以致影响全球海平面变化。
不仅如此，由于许多冰下湖是相互连通的，它们就像由一根线连着的珠子，如果其中一个湖所承受的压力超过限度，汹涌的洪水就会突然注入这条线上的另一个湖中。一旦这根“线”开始流动，它上面的冰层就会很快被融化掉，这将是个无法控制的局面。在这条“线”上是否会发生连锁反应，不久后这些湖是否会从此消失，是否会导致海平面大幅上升，这些我们目前都不得而知。
此外，冰下湖的湖水属于低温水，且大部分是低温淡水，一旦大量低温冷水排放到大洋，将会影响全球海洋的温盐环流。
因此，研究极地冰下湖是否会发生变化，以及如何发生变化，是应对全球海平面上升危机的关键。
仰望星空，你可曾想过，浩瀚宇宙中，会有地外生命吗？目前外太空探索能力仍非常有限，那么换个思路，地球上有没有与地外生命生存类似的环境，可供我们开展相关的研究呢？南极冰盖厚厚冰层下的水世界——冰下湖，或许能为我们提供一些思路。
1998年，俄美法三国科学家在南极沃斯托克湖上钻取冰芯，钻探深度达3623米。为了避免对湖水造成污染，钻探在离湖面不远处的地方停止了。如此深的冰芯，记录了42万年以来南极和全球气候变迁情况。在冰芯中，科学家发现了细菌、花粉、硅藻以及一些未知的生物。那么冰芯之下的湖水深处呢？是否也能发现不为人知的生物？这让人十分期待。
冰架 供图：赵勇
曾经，科学界一度认为，南极冰盖下暗无天日且生态环境极为恶劣，不适于生命存活。直到2013年，冰川学家约翰·普里什库研究小组首次宣布在南极冰下湖深处发现生命。他们钻透了800米的冰层，从惠兰斯湖深处采集到了30升左右的湖水液体，并从湖底部采集到沉积物样本。经过研究发现，惠兰斯湖深处确实藏匿着生命，水体和沉积物里包含大量不需阳光就能存活的微生物，而且这些细菌在培养皿中显示出良好的生长态势。
目前已有足够的证据可以证实，在南极冰下湖黑暗、寒冷、无氧的环境中，生命仍有存活可能，且由于冰下湖环境极为稳定，千百万年都没有变化，这些生命可能以一种原始生命形态存在着，这对研究生命起源来说是一个重要线索。太空生物学家对此更是激动不已，他们认为在这种极限环境中可能生活着某些从不为人所知的奇异生物，它们的存在有可能代表了外星生物的一种生存方式，让人们可以有理由相信太阳系存在类似外星生命的可能。譬如木星的第四大卫星木卫二——欧罗巴星，在厚达100千米的冰冷而光滑的冰体下是一个液态水海洋；土星的最大卫星土卫六——有大气层并有巨大的液态甲烷湖泊群……这些都不仅让人好奇：那里会有地外生命吗？
南极沃斯托克湖与欧罗巴星的形态极为相似，表层都覆盖着厚厚的冰层，宛如“双胞胎”。通过研究沃斯托克湖，或许可以对欧罗巴星的情况略知一二。受沃斯托克湖有液态水存在的启发，科学家认为在欧罗巴星上也可能找到液态水。液态水的存在是生命出现的先决条件之一，因此欧罗巴星或许就是外太空生命的摇篮。
在我国，关于南极极端条件下环境、气候、微生物等科学的研究也从未间断。在多个国家项目的支持下，我国先后研制了深冰芯钻、冰架热水钻、冰下地质钻和无污染冰下湖钻等技术设备，覆盖了南极冰盖深部钻探的所有钻具类型，并在研发与应用中取得了显著进展，获取了连续的冰芯样本和冰下岩芯样本，使我国成为世界上少数在南极冰盖钻取冰下基岩样本的国家之一，未来也将进一步开展针对冰下湖蕴藏生命的研究，或许这个谜底离我们将不再遥远。
本文原文来自腾讯新闻