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冰下湖

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沃斯托克湖的卫星图像（美国国家航空暨太空总署戈达德太空飞行中心）

冰下湖（英语：Subglacial lake）是位于冰川下的湖泊，通常位于冰帽或冰盖下方。由于高压环境下冰的熔点降低[1][2]，上面的冰以每年数毫米的速度逐渐融化[3]。融水流向低水压区域并形成液态水体，可与外界分隔数百万年[1][4]。

自从南极冰盖下的冰下湖被首次发现以来，南极洲、格陵兰的冰盖下方和冰岛瓦特纳冰原下有400多个冰下湖被发现[5][6][7]。冰下湖占了地球淡水的一部分，仅南极冰下湖的体积就约有10,000平方公里，约占地球上液态淡水的15%[8]。

冰下湖的生态系统与地球大气层隔绝，含有活跃的嗜极微生物群落，能够适应寒冷和低营养的条件，并促进不受太阳能量输入的生物地球化学循环[9]。冰下湖及其生物在天体生物学和寻找外星生命领域相当重要[10][11]。

物理特性

由于地热平衡了冰表面的热量损失，所以冰下湖中的水能保持液态。上覆冰川的压力导致水的熔点低于0°C。冰下湖的上限将位于水的压力熔点与温度梯度相交的水平处。因此在南极最大的冰下湖沃斯托克湖中，其湖上的冰比周围的冰盖厚得多。含高盐的冰下湖，也因其含盐量高，而保持液态[12]。

并非所有常年被冰覆盖的湖泊都可以称为冰下湖，因为有些湖泊是被普通湖冰覆盖，例如麦克默多干谷的邦尼湖和霍尔湖。

历史

俄罗斯科学家彼得·克鲁泡特金于19世纪末首次提出南极冰盖下可能存在液态淡水，他认为冰盖底部的地热能让温度达到冰的熔点[2][13]。俄罗斯冰川学家伊戈尔·A·佐蒂科夫进一步提出了冰盖下淡水的概念[5]。截至2019年，南极洲有超过400个冰下湖被发现[7]，不排除未来还有更多[5]。格陵兰[6]、冰岛和加拿大北部也发现了冰下湖[14]。

俄罗斯科学家彼得·克鲁泡特金首次提出冰下湖的概念

早期探索

为了对南极冰盖进行广泛的调查，俄罗斯地理学家兼探险家安德烈·彼得罗维奇·卡皮察在1959年和1964年四次苏联南极远征中，两次使用地震探测技术绘制了南极洲沃斯托克站下方地层。他收集的数据在30年后被使用，最终发现了位于冰层下的沃斯托克湖[15]。

从1950年代末开始，英国物理学家史丹‧埃文斯（Stan Evans）和戈登‧罗宾（Gordon Robin）开始使用无线电回波探测（英语：radio-echo sounding，RES）的技术来绘制冰厚度图表[16]。17个冰下湖泊使用此技术被记录[17]。格陵兰岛第一个冰下湖也被无线电回波探测发现[1]。

卫星探勘

1990年代初，来自欧洲遥感卫星ERS-1的雷达高度计资料提供了南极洲至南纬82度的详细地图[18]，进一步确定了南极冰下湖泊的地理分布。2005年，劳伦斯·格雷（Laurence Gray）和冰川学家团队开始根据雷达卫星数据解读冰层表面的活动，表明冰下可能存在水文活跃的冰下湖[19]。

静压密封

冰下湖中的水位可能远高于地面。理论上，冰下湖甚至可以存在于山顶，只要其上的冰足够薄以形成所需的静水密封。浮动水位可以被认为是穿过冰进入湖中的钻孔中的水位。它相当于在正常冰架上一块冰漂浮的高度。当湖周围的冰层太厚以至于等位面下降到不透水的地面时，就会形成静水密封。然后，冰缘下方的水被静压密封压回湖中。据估计，沃斯托克湖的冰缘只有7米，而浮面则高出湖面约3公里[20]。

冰岛的冰下湖泊是一个已知危害，因为火山活动可以产生足够的融水来淹没冰坝和湖封，并导致冰川溃决洪水[20]。

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Palmer, Steven J.; Dowdeswell, Julian A.; Christoffersen, Poul; Young, Duncan A.; Blankenship, Donald D.; Greenbaum, Jamin S.; Benham, Toby; Bamber, Jonathan; Siegert, Martin J. Greenland subglacial lakes detected by radar: GREENLAND SUBGLACIAL LAKES DISCOVERED. Geophysical Research Letters. 2013-12-16, 40 (23): 6154–6159. Bibcode:2013GeoRL..40.6154P. S2CID 55286616. doi:10.1002/2013GL058383. hdl:10871/30231 可免费查阅 （英语）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Siegert, Martin John; Kennicutt, Mahlon C. Governance of the Exploration of Subglacial Antarctica. Frontiers in Environmental Science. 2018-09-12, 6: 103. ISSN 2296-665X. doi:10.3389/fenvs.2018.00103 可免费查阅. hdl:10044/1/63886 可免费查阅. 
  3. ^ Le Brocq, Anne M.; Ross, Neil; Griggs, Jennifer A.; Bingham, Robert G.; Corr, Hugh F. J.; Ferraccioli, Fausto; Jenkins, Adrian; Jordan, Tom A.; Payne, Antony J.; Rippin, David M.; Siegert, Martin J. Evidence from ice shelves for channelized meltwater flow beneath the Antarctic Ice Sheet. Nature Geoscience. 2013, 6 (11): 945–948. Bibcode:2013NatGe...6..945L. ISSN 1752-0908. doi:10.1038/ngeo1977 （英语）. 
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  6. ^ 6.0 6.1 Bowling, J. S.; Livingstone, S. J.; Sole, A. J.; Chu, W. Distribution and dynamics of Greenland subglacial lakes. Nature Communications. 2019-06-26, 10 (1): 2810. Bibcode:2019NatCo..10.2810B. ISSN 2041-1723. PMC 6594964 可免费查阅. PMID 31243282. doi:10.1038/s41467-019-10821-w （英语）. 
  7. ^ 7.0 7.1 Björnsson, Helgi. Subglacial lakes and jökulhlaups in Iceland. Global and Planetary Change. Subglacial Lakes: A Planetary Perspective. 2003-02-01, 35 (3): 255–271. Bibcode:2003GPC....35..255B. ISSN 0921-8181. doi:10.1016/S0921-8181(02)00130-3. 
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  20. ^ 20.0 20.1 Priscu, John C.; Tulaczyk, Slawek; Studinger, Michael; Ii, Mahlon C. Kennicutt; Christner, Brent C.; Foreman, Christine M. (2008-09-11). Antarctic subglacial water: origin, evolution, and ecology. Oxford University Press. doi:10.1093/acprof:oso/9780199213887.001.0001. ISBN 978-0-19-170750-6.
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