气候变暖改变全球冰下湖活动及其功能

气候变暖改变全球冰下湖活动及其功能

冰下湖是冰川和冰盖下的独特水体，它们不仅为微生物提供了独特的栖息地，还对冰川流动和地球系统产生重要影响。随着全球气候变暖，这些隐藏在冰层下的湖泊正经历着前所未有的变化。

冰原和冰川下的冰下湖泊影响着地球系统的多个组成部分。湖泊为微生物群落提供了可行的栖息地，这些群落可能遵循独特的进化轨迹，并可作为假定的地外生态系统的类似物。通过冰川下湖泊进行的水转移会调节基底水文和生物地球化学通量，并可能导致十年以下时间尺度的冰流变化。湖泊排水将大量的水和沉积物输送到下游。湖泊沉积物包含冰盖历史和气候变化的档案，与冰芯记录类似。在南极洲，穿过接地线进入冰架下空洞的水可改变冰与海洋的相互作用并可改变海洋环流。冰川前缘突然爆发的洪水会形成冲积平原（沙丘），对基础设施造成重大危害。

全球冰下湖分布与类型

研究团队编制了一份全球冰下湖清单，共发现773个冰下湖，其中：

• 南极洲：675个（包括59个新发现的湖泊）
• 格陵兰岛：64个
• 冰岛：6个
• 德文冰帽：2个
• 山谷冰川：26个

冰下湖的活动模式

• 80%的冰下湖是稳定的，要么是封闭系统，要么流入和流出大致平衡
• 其余20%的湖泊是活跃的，显示出五种不同活动模式
• 活跃湖泊的排水量与湖泊容量呈准线性关系
• 格陵兰和冰岛湖泊的排水率高于南极洲湖泊
• 较大湖泊的补给速度更快，表明湖泊补给与大小相关

气候变暖的影响

• 在气候变暖导致冰面陡峭的地区，湖泊出现可能性降低，但排水量更大
• 地表融水和降雨增加将调节湖泊的填充-排水周期
• 灾难性排水的可能性增加
• 氧气、沉积物、微生物和营养物质的输入增加

冰下湖的微生物生态系统

冰下湖环境中的微生物系统主要依靠化学合成获取能量。不同类型的湖泊具有不同的微生物群落特征：

• 南极湖泊：缺乏表面连通性，限制了氧气和营养物质的供应
• 冰岛湖泊：受地热活动影响，形成化学和热分层的水柱
• 格陵兰湖泊：表面融水补给带来大量有机质

未来展望

随着气候变暖，预计冰下湖将发生以下变化：

• 南极和格陵兰的湖泊将普遍变小，但活动性增强
• 山谷冰川下的湖泊受局部因素影响较大
• 地表耦合可能性增加，导致流量更大、频率更高的洪水
• 冰盖压力减少可能刺激火山活动，促进湖泊形成

研究方法

研究团队采用了多种地球物理技术和卫星遥感手段来探测和监测冰下湖，包括：

• 自主相敏无线电回波探测（ApRES）
• 合成孔径雷达干涉测量（SARIn）
• 冰云和陆地高程卫星（ICESat）测高

这些技术为科学家提供了监测冰下湖动态的重要工具。

图1：冰下湖环境以及与冰原或冰川的水文联系。

图2：全球冰下湖清单

图3：冰下湖活动对冰流影响的概念模型

图4：气候变暖对冰下湖未来分布、几何形状和活动的影响。

图5：识别冰下湖和调查其动态的方法。

本文原文来自Nature Reviews Earth & Environment