【博科園-科學(xué)科普】在南極冰蓋下有一個大陸被河流和湖泊所覆蓋，其中最大的是伊利湖的大小。在常規(guī)的一年里冰蓋融化并重新凍結(jié)，導(dǎo)致湖泊和河流周期性地從融水中迅速地填滿和流失。這一過程使得南極洲的冰凍表面更容易滑行，在一些地方上升和下降多達(dá)6米(20英尺)。
【博科園-科學(xué)科普】在南極冰蓋下有一個大陸被河流和湖泊所覆蓋，其中最大的是伊利湖的大小。在常規(guī)的一年里冰蓋融化并重新凍結(jié)，導(dǎo)致湖泊和河流周期性地從融水中迅速地填滿和流失。這一過程使得南極洲的冰凍表面更容易滑行，在一些地方上升和下降多達(dá)6米(20英尺)。
在南極冰蓋下流動的水的概念圖。藍(lán)點表示湖泊，線條顯示河流?，旣悺げ?Marie Byrd)的土地是通往南極半島(左)中心的凸起的“肘”的一部分。圖片版權(quán)：NSF/Zina Deretsky
根據(jù)美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室的研究人員的一項最新研究表明，在被稱為“瑪麗·伯德”的區(qū)域下面可能有地幔柱。這種地?zé)釤嵩吹拇嬖诳梢越忉屧诒粏蜗掳l(fā)生的一些融化，以及為什么它今天不穩(wěn)定。它還可以幫助解釋在過去的氣候變化時期是如何迅速坍塌的。
這項名為“南極南極地幔柱對冰層基礎(chǔ)條件的影響”的研究最近發(fā)表在《地球物理研究雜志：固體地球》上。該研究小組由噴氣推進(jìn)實驗室的Helene Seroussi領(lǐng)導(dǎo)，來自華盛頓大學(xué)地球和行星科學(xué)系的研究人員，以及德國亥姆霍茲極地和海洋研究中心的阿爾弗雷德·韋格納研究所。
2014年10月29日美國國家航空航天局(NASA)的“冰橋研究”(IceBridge)研究航班上的冰川。圖片版權(quán)：NASA/Michael Studinger
隨著時間的推移，南極洲冰蓋的運動一直是地球科學(xué)家感興趣的一個來源。通過測量冰蓋上升和下降的速度，科學(xué)家們能夠估算出在該基地的何處和多少水正在融化。正是由于這些測量，科學(xué)家們首先開始推測南極冰凍表面下的熱源的存在。
在瑪麗·伯德(Marie Byrd)的土地上存在地幔柱的提議是30年前由科羅拉多丹佛大學(xué)(University of Colorado Denver)的科學(xué)家韋斯利·勒馬蘇利(Wesley e . LeMasurier)提出的。根據(jù)他所做的研究，這是對區(qū)域火山活動和地形穹頂特征的可能解釋。但直到最近，地震成像調(diào)查才提供了支持地幔柱的證據(jù)。
然而，目前還不可能對瑪麗·伯德土地下的地區(qū)進(jìn)行直接測量。因此JPL的Seroussi和Erik Ivins依賴于冰原系統(tǒng)模型(ISSM)來證實羽流的存在。這一模型實質(zhì)上是由噴氣推進(jìn)實驗室的科學(xué)家和加州大學(xué)歐文分校的科學(xué)家們共同開發(fā)的冰層物理學(xué)的數(shù)值描述。
為了確保模型是真實的，Seroussi和她的團(tuán)隊在多年的時間里觀察了冰層的高度變化。這些是由美國國家航空航天局的冰、云和陸地高程衛(wèi)星(ICESat)和他們的機載“冰橋行動”進(jìn)行的。多年來，這些任務(wù)一直在測量南極冰蓋，這使得他創(chuàng)造了非常準(zhǔn)確的三維海拔地圖。
2014年11月2日，在南極的瑪麗·伯德土地上看到的山脈和冰川的景象。圖片版權(quán)：NASA / Michael Studinger
Seroussi還增強了ISSM，包括自然資源的加熱和熱傳輸，導(dǎo)致凍結(jié)、融化、液態(tài)水、摩擦和其他過程。這一組合的數(shù)據(jù)對南極洲允許的熔融速率施加了強大的限制，并允許該團(tuán)隊運行數(shù)十個模擬，并測試了地幔柱的可能位置。
他們發(fā)現(xiàn)地幔柱引起的熱通量不會超過每平方米150毫瓦。相比之下，沒有火山活動的地區(qū)通常會經(jīng)歷40到60毫瓦的壯舉，而地?zé)釤狳c——比如黃石國家公園(黃石國家公園)——的平均溫度為每平方米200毫瓦。
在他們進(jìn)行的模擬中，每平方米超過150毫瓦的模擬，與太空數(shù)據(jù)相比，熔化率太高了。除了在一個地方，那是羅斯海的內(nèi)陸地區(qū)，眾所周知，那里有大量的水流。這個區(qū)域需要至少150到180毫瓦的熱流，以配合其觀測的熔體速率。
在這一地區(qū)，地震成像也顯示，加熱可能通過地幔的裂縫到達(dá)冰原。這也是與地幔柱相一致的，地幔柱被認(rèn)為是在地幔中穿過地幔并在地殼中擴散的熱巖漿的窄流。這種粘稠的巖漿隨后在地殼下膨脹，使其向上凸起。
南極冰蓋在過去50年的溫度變化，以攝氏度來衡量，圖片版權(quán)：NASA/GSFC Scientific Visualization Studio
當(dāng)冰位于羽流上方時，這個過程將熱量轉(zhuǎn)移到冰蓋上，從而引發(fā)了大量的融化和徑流。最后，Seroussi和她的同事提供了令人信服的證據(jù)——基于地表和地震數(shù)據(jù)的結(jié)合——在南極洲西部冰原下的表面羽流。這一地幔柱形成于大約50到1.1億年前，早在南極洲西部冰蓋出現(xiàn)之前。
大約11000年前，當(dāng)最后一個冰河時代結(jié)束時，冰蓋經(jīng)歷了一段時間的快速、持續(xù)的冰損失。隨著全球氣候模式和不斷上升的海平面開始改變，溫暖的海水被推向了冰原。Seroussi和Irvins的研究表明，地幔柱可能在今天促進(jìn)這種快速的損失，就像在星系間期的最后一次發(fā)生時一樣。
了解南極洲西部冰原損失的來源是很重要的，因為它估計了冰層可能消失的速度，這實際上是預(yù)測氣候變化的影響。鑒于地球正再次經(jīng)歷全球溫度變化——這一次，由于人類活動——創(chuàng)造準(zhǔn)確的氣候模型是至關(guān)重要的，這將讓我們知道極地冰層將會迅速融化，海平面將會上升。
它還告訴我們對地球的歷史和氣候變化是如何聯(lián)系在一起的，以及它們對地質(zhì)演化的影響。
知識：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
參考：NASA, Journal of Geophysical Research
作者：Matt Williams
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