国际极地年——为什么？
当我第一次听到国际极地年（IPY）的概念时，我翻了个白眼，摆出我从十几岁的儿子那里学来的那种愚蠢的“这真是一个无聊的想法”的表情。一个由19世纪80年代的军官提出的想法，在我们的超连接时代有什么用处呢？以前的IPY的照片里充满了穿着派克大衣、发射气球、在小棚子里记录数字以及发射炸药的邋遢男人。我简直无法超越IPY派克大衣的冰霜边缘。
但是后来，一些事情改变了。那是在七月份，我坐在上海一个闷热的会议室后面，刚刚做完关于两英里冰层下湖泊的演讲。我很想在我的第一次中国之旅中多看看上海，并认为我可能会偷偷溜走，直到我听到一位留着大胡子，眼睛里闪烁着精灵般光芒的德国冰川学家海因茨·米勒，概述了一个在2007年国际极地年期间研究南极洲东部冰盖内部的大胆概念。我像一个突然意识到微积分具有某种价值的青少年一样，认真地听着。我开始超越邋遢的面孔，并认识到极地地区的全球合作如何产生否则不可能获得的非凡见解。我们了解冰下湖泊的唯一方法是改进极地地区国际科学的框架。IPY有潜力提供这个框架。
第一届IPY是由科学家团体与军队密切合作计划的。当前的国际极地年是一个大型的跨学科研究项目，重点关注2007年3月至2009年3月的极地地区。在现代科学时代，这个IPY几乎是社区中涌现出的思想的有机努力的结果。与一个国际范围界定委员会概述的结构合作，科学家们聚集在一起，新的项目蓬勃发展。这种草根努力吸引了来自30个国家的数万名科学家。在了解极地地区快速变化和到达未勘探地形的紧迫性驱动下，过去的18个月见证了前所未有的国际合作水平。仪器网络已安装在两个极地地区，以监测这些偏远地区的变化。过去气候变化的新记录已从冰盖和沉积物中恢复。从人类学到地球物理学，变化的主题融入了科学项目中。
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从第四届国际极地年至今的结果如何？询问我们从IPY中学到了什么，有点像在最后一场比赛之前问棒球运动员比赛的结果。与任何大型努力一样，也出现了一些挫折：一颗关键的卫星在发射后不久坠入大海，一架直升机坠毁，造成了悲惨的生命损失，一架飞机严重受损。在极地地区工作仍然是一个挑战。最令人困惑的挫折是燃料成本迅速上涨带来的巨大影响。各个国家，无论大小，都被迫修改和推迟他们的计划。即使是最精心计划的考察也已被缩短或推迟。总的来说，大多数项目都已推迟，而不是取消，IPY计划的野外项目可能需要更长的时间。
虽然大部分讨论仍然是关于飞机、轮船和运输车辆，但一些早期的结果正在出现。有些结果是科学性的。从南极冰盖边缘取出的沉积物表明，南极洲西部冰盖的增长和收缩频率比以前认为的要高得多。冰盖下的水已被证明在冰下系统中快速移动。
一些发现与科学的结构有关。一个杰出的年轻科学家网络已经形成，新的站点已经建立，新的合作方式也已开发。未来五年将看到极地科学的蓬勃发展和新数据的解读，延迟项目的实施以及新一代科学家积极合作以了解我们的星球。极地地区的变化速度比地球上任何其他地方都快。在IPY框架内获取的数据集、新成立的年轻极地学者网络以及在IPY期间纳入的新基础设施对于在未来几十年内增进我们对这些变化中的地区的理解至关重要。
神秘的山脉
上个月，我打开了来自米斯卡托尼克大学工程学院的荣休教授弗兰克·H·帕博迪的一封电子邮件。乍一看，这封信似乎是合法的——它不是来自非洲，也没有要求我的银行账户。这封信通过提及我的其他工作触动了我的虚荣心，所以我继续读了下去。然后，在第三段中，它开始显得奇怪，因为这位教授声称在1958年之前去过南极洲东部。所以我用谷歌搜索了帕博迪教授。哎呀！我一直在读一封来自 H. P. 洛夫克拉夫特 1930 年科幻小说的虚构人物的信。
显然在 2008 年，这个虚构人物有一个 G-mail 账户，并且这所大学有一个网站。当然，H. P. 洛夫克拉夫特是一位早期科幻小说作家，经常被比作埃德加·爱伦·坡和斯蒂芬·金，他既没有电子邮件地址也没有网站。在 1920 年代，洛夫克拉夫特被极地探险所吸引。伯德海军上将在第二个极地年期间首次飞越南极洲的飞行是这本小说《疯狂山脉》的核心。帕博迪教授负责钻孔设备和飞机发动机的加热器——这对我们即将进行的考察都很有用。
虽然帕博迪声称他的考察队在第二个国际极地年期间的 1920 年代发现了冈布尔采夫山脉，但更准确地说是归因于 1958 年的苏联南极考察队。这次考察是第三次国际极地年的一部分，更广泛地称为国际地球物理年。通过发射小型炸药并记录回声能量，考察队在冰盖中心发现了一个冰层非常薄的区域——一个完全被冰覆盖的山脉。考察队以苏联地震学家格里戈里·冈布尔采夫的名字命名了这个山脉，他以其预测地震的努力而闻名。
即使没有洛夫克拉夫特南极山脉中居住的幽灵般的身影，冈布尔采夫山脉仍然是一个谜。它们完全被冰覆盖。没有一个崎岖的山峰从冰盖中伸出来。它们很高——比周围的地形高出约 9,000 英尺（2,700 米）。这意味着冈布尔采夫山脉耸立在阿巴拉契亚山脉之上，大约与阿尔卑斯山一样高——并且数百英里宽。如果一条维护良好的高速公路横穿它们，则需要一天的大部分时间才能穿过它们。但是，唉，没有高速公路。我们来自六个国家的团队（构思了南极冈布尔采夫省或 AGAP 项目，作为第四届 IPY 的一部分）已经工作了八年，以弄清楚如何用三架配备科学设备的小型飞机穿越这个偏远的地形。
冈布尔采夫山脉真正的谜团是它们的起源。它们在南极洲东部的存在不符合我们对南极洲地质历史的现有理解。苏联人对这些山脉的识别相当于考古学家在一个金字塔内发现了一名穿着全套宇航服的宇航员。我们目前对南极洲东部地质事件顺序的理解表明，大规模构造的最后证据是在 5 亿多年前。从那时起，南极洲东部在地理上基本上是一个相当无聊的地方。一个有 5 亿年历史的山脉应该已经被磨损了。要么南极洲大陆的构造历史是错误的，要么这些山脉的特殊之处使它们没有被侵蚀成薄煎饼。
认为冰盖保护了这些山脉很有趣，但冰盖只有 3500 万年的历史——从地质角度来看，只是一眨眼的功夫。也许这些山脉比我们认为的要年轻得多，或者也许关于南极洲东部我们有一些不知道的东西。一个像夏威夷或冰岛那样产生大量熔岩的地幔柱，或者全球板块滑动中的新事物。我们应该很快就会有一个更好的主意。
我们的设备在麦克默多站，美国基地，位于一座大型活火山的侧翼，等待着装在大铝箱里。双水獭飞机将于明天抵达，并将开始将这架坚固的小型通勤飞机变成滑雪板上的机载成像系统的过程。英国人正在等待他们的飞机到达，现在正缓慢地沿着南美洲的海岸线移动。很快我们就能开始回答有关这些神秘山脉起源的问题。虽然洛夫克拉夫特的团队害怕外星人，但我们现在必须担心整个大陆的天气、设备故障和高原反应。
寻找湖泊
当您穿过树林走向湖泊时，首先您经常会看到鸭子、潜鸟、秋沙鸭或其他水禽全神贯注地飞向水面。很快您可能会注意到沼泽湿地。走近时，您会听到翠鸟刺耳的嘎嘎声，等待着从湖里叉鱼。随着树木变得稀疏，地平线将打开，湖水将展现在您的面前。
走向一个冰下湖，线索要少得多。没有树木遮挡您的视线，只有四面八方的白色雪和蓝色天空。湖泊的唯一暗示是当您同事在前方四分之一英里处行走时，突然消失在 15 英尺（4.6 米）深的护城河中。这条 2.5 英里（4 公里）宽的护城河是由于冰盖在湖上漂浮时“下沉”的结果。在您脚下几乎没有其他关于湖泊的线索。两英里（3.2 公里）的冰有效地隐藏了下面的地形，带翅膀的水禽早已逃离了这些南极湖泊。
要理解冰下湖，需要稍远一点的距离，以便对广阔、看似平坦的冰面有一个全面的视角。第一个稍微拉开距离观察的人是一位俄罗斯飞行员，他在 1950 年代负责在南极洲东部的苏联营地之间运送科学家和工程师。当太阳低垂时，他盯着窗外，开始注意到冰盖中有大片的、异常平坦的区域。他将这些地点记录在航空地图上，希望能返回莫斯科后撰写一篇关于这一现象的论文。不幸的是，他在一次坠机事故中丧生，冰下湖在极地社区中被降级为神话般的存在。
冰下湖似乎注定要保持隐藏状态。早期的地震数据被误解。记录在火灾中被毁。当团队行驶数百英里到达湖泊边缘时，设备却发生故障。一些诱人的线索暗示冰盖下可能存在水，但直到我们从太空观察冰盖时，大型湖泊才变得明显。对冰面高度的详细测量为“看到湖泊”提供了第一个真正的机会。冰盖上大部分冰面的表面由于流经下方的山丘和山脉而变得粗糙。正如冬季的林地湖泊会是一片延伸至地平线的水平漂浮冰面一样，冰下湖上方的冰也会漂浮，冰面非常平坦。
这些湖泊的存在是因为厚厚的冰层起到绝缘毯的作用，捕获了从地球内部散发出的热量。冰盖顶部的温度为零下 50 华氏度（零下 45.5 摄氏度），而底部则为正的 28.4 华氏度（零下 2 摄氏度）——非常接近冰的熔点。上覆冰的压力稍微降低了冰的熔点，但温度升高的主要原因是自然的地热梯度。
二十五年前，没有人会相信地下会存在湖泊。十年前，科学家们认为这些湖泊是停滞的，彼此隔离的。今天，我们知道冰下湖通过复杂的管道系统在冰下相连，这种连通性可能使它们发生快速排水，类似于拔掉浴缸的塞子，使水从一个湖泊排入另一个湖泊。冰下湖的排水可能导致冰流的开始，加速它们向大陆边缘的移动，在那里它们抵住周围的海水。
在南极洲东部，最大的冰下湖位于甘布尔采夫山脉的山麓。沃斯托克湖，大小相当于安大略湖，以及其他两个大型深湖，标志着这个多山省份的东部边缘。在西部边缘，四个大型湖泊与冰盖快速流动的开始有关。通过使用机载成像技术，我们将收集第一批数据，这些数据可能会告诉我们为什么这些大型湖泊会出现在甘布尔采夫山麓。我们正在努力了解冰下湖系统如何影响极地冰向全球海洋的流动。这项研究甘布尔采夫山脉省的国际极地年计划 (AGAP) 将使我们能够收集有关这些湖泊的关键信息，并帮助将它们在南极冰川管道系统中的作用联系起来。
探索隐藏的地形
如果将南极洲东部冰盖放到美国本土 48 个州之上，每个城镇都会被覆盖。只有少数山峰会暴露出来。卫星无法穿透冰盖看到下方。研究被厚厚冰层覆盖的山脉和湖泊是一个挑战。
五十年前，科学家们对南极洲冰盖的厚度没有很好的估计。在上一个国际极地年开始时，许多国家利用石油工业技术，派出履带式雪地车队横穿南极洲。这些车队，或者说横跨，每行驶 50 英里（80 公里）就会停下来，铺设敏感的记录设备（地震检波器），钻一个 150 英尺（45 米）的洞，并引爆小型炸药。爆炸会将一团雪喷向空中，并将能量深入冰盖。向下传播的波会从底部的山丘和山谷反弹。返回的回声会被地震检波器记录下来。每次爆炸都会产生一个冰层厚度的测量值。
尽管这些地面车辆的进展非常缓慢，但国际地球物理年的主要发现之一来自对这些爆炸的记录。穿着厚厚派克大衣的科学家们不得不比预期等待更长的时间来记录来自冰盖底部的回声。原因是：冰层比预测的要厚。在某些地方，南极洲东部冰盖厚达 2.8 英里（4.5 公里），如果融化，足以将全球海平面升高 170 英尺（52 米）。
每行驶 50 英里就在冰盖上行驶并引爆炸药是一个缓慢的过程。飞行，即使是乘坐小型飞机，也要快得多。我们将使用两架装满天线和仪器的飞机，从空中收集关于冰盖的新测量数据，以及从埋在雪中的地震仪收集的数据。
飞机的机翼上安装了八个天线，它们发射和接收 150 兆赫的脉冲以测量冰层厚度。这个雷达系统由堪萨斯州劳伦斯市的冰盖遥感中心开发，专门用于穿透极地冰盖进行成像。与地震方法类似，能量通过四个天线传输。能量从冰面和冰盖底部反弹回来。我们每秒最终会得到数千个测量值。这与 50 年前测量冰层厚度需要两到三天相比，有了很大的进步。
为了更好地了解冰面的情况，我的同事迈克尔·斯图丁格在飞机地板下方安装了近红外激光器。在充满氮气的容器内，激光器对着一个旋转的镜子发射。当镜子旋转时，激光器首先对准飞机的一侧，然后对准另一侧，以便激光器测量飞机正下方以及侧面的冰面。当我们准确定位飞机时，激光器的测量距离精度可达 2 英寸（5 厘米）！在我们办公室的走廊里进行测试时，我们可以看到人们在房间之间来回穿梭。
除了冰层厚度数据外，我们还想了解甘布尔采夫山脉的起源。要做到这一点，我们需要解码下方地壳和岩石圈的基本结构。可能需要数年甚至数十年的时间，才能有人钻入甘布尔采夫山脉，因此我们将使用重力、磁力和地震速度来远程探测冰下地形。地球的重力场会根据基岩的类型而变化。较强的重力场意味着岩石密度较高，而较弱的重力场意味着岩石密度较低。一个极其精确的重力计将安装在飞机的前部。对地球磁场变化的测量将告诉我们关于下方岩石的性质。一些岩石的磁性比其他岩石强得多。我们将使用安装在飞机机翼尖端的基于铯的传感器来测量变化的磁场。对磁场的测量将告诉我们隐藏的岩石的磁性有多强。
激光将测量冰面。雷达将测量隐藏的地形。重力和磁力将告诉我们关于地球浅层部分的构成，通常是地壳。如果我们想看得更深，我们需要一种不同的方法。来自圣路易斯华盛顿大学的道格·温斯领导的一个团队将在甘布尔采夫山脉顶部数百英里范围内安装 26 个地震仪。科学家们不是引爆炸药，而是将地震仪放置数月，记录远处的地震。这些地震仪将在雪中埋藏一年；它们将在夏季由太阳能供电，在漫长的极地冬季由埋在地下的电池供电。地震仪将记录来自世界各地的地震，以绘制山脉下方更深层的结构图。最后，地震数据将让我们知道来自全球地震的能量传播的速度，以及南极大陆在数百英里深处的温度是高还是低。
通过使用这整套地球物理技术，我们将在未来三个月内尝试构建我们星球上最大冰盖的第一个综合横截面。在现代成像领域，我们习惯于看到我们牙齿的 X 光片，我们大脑的核磁共振成像，甚至是子宫内胎儿的模糊图像。这些技术已经发展到足以让我们不惊讶地看到安装在我们当地购物中心旁边的温尼巴戈房车内的医疗成像系统。医疗技术必须穿透组织和骨骼进行成像。穿透两英里的冰层进行成像类似，但需要不同的策略。甘布尔采夫山脉探险是我们对冰盖和山脉进行成像和了解的最佳机会。
问题的规模
当制图师将我们的球形世界投影到平面的纸张上时，极地区域不可避免地会遭受扭曲。通常，极点会滑落到纸张的边缘。有时，格陵兰岛会被扭曲得看起来像南美洲一样大。南极洲经常会缺失，或被切成三角形碎片，或被描绘成一条细细的白色边框。即使是谷歌地球也会在极地区域产生扭曲的形状。南极洲人烟稀少，位于数学上具有挑战性的南纬 90 度，是陌生的地形。很难解释位于这片从页面上滑落的大陆中的甘布尔采夫山脉问题的规模。
南极洲最熟悉的部分，通常保留在世界地图上的，是南极半岛。这条狭长山脉类似于一条向北延伸到南美洲的长臂。半岛是许多企鹅栖息地和科学基地的所在地，也是主要的旅游目的地。
不太熟悉的是南极洲西部，它是位于西半球的大陆部分。从地质学上讲，南极洲西部是一块变薄的大陆地壳，类似于红海或墨西哥湾。如果这部分大陆没有被冰盖覆盖，它将是一条以岛屿为边缘的开阔水道。南极洲东部是一块厚厚的寒冷大陆地壳碎片，类似于加拿大东部，比美国本土 48 个州还要大。
科学基地环绕着边缘，但只有少数基地位于远离后勤生命线的内陆。南极点、沃斯托克和康科迪亚穹顶是该星球这一部分已建立的站点。中国人正在努力在甘布尔采夫山脉顶部的 A 穹顶建造一个站点，但目前还没有任何进展。在南极洲东部，远离永久性科学基地和后勤枢纽的中心，甘布尔采夫山脉完全被冰盖隐藏。虽然这些山脉可与北美落基山脉和喀斯喀特山脉相媲美，但南极洲东部的卫星图像只是一片单调的白色空间。
为了研究这些隐藏的山脉，我们将从两个营地展开工作。南营地距离美国主要科考站麦克默多站近 800 英里（1285 公里），比纽约市到芝加哥之间的距离还要远——只是沿途没有高速公路、休息区或加油站，只有绵延数英里的冰层。我们的北营地位于内陆 470 英里（755 公里）处，更靠近冰盖北缘的澳大利亚和中国基地。在我们工作的地方，不会有企鹅和游客，只有冰、科学家、工程师、飞行员、医务人员、厨师和登山者。
几年来，我们一直在为后勤保障而犯愁。一个由 25 名以上科学家和工程师组成的跨国团队（配备三架飞机）如何在天气足够温暖适合我们工作的时间内完成探险？“足够温暖”意味着温度高于 -58 华氏度（-50 摄氏度）。经过五年的规划，我们制定了一个策略。两个团队将分别在山脉的北侧和南侧建立营地。南营地的重型设备和燃料将通过地面运输来运送，该运输将首先经过南极点。地面运输看起来就像五辆从建筑工地逃出来的车辆，拖着装满设备和燃料的雪橇。北营地将由飞机从沿海科考站运送物资来补给。四次来自美国空军喷气式飞机的空投将为北营地输送燃料。三个科学团队将在 11 月份在麦克默多站准备飞机。在系统测试完毕后，团队将前往南极点以适应高海拔环境，然后开始向南营地移动。
该项目已经启动。澳大利亚团队于 10 月中旬从塔斯马尼亚的霍巴特起航。英国科学团队上周抵达南极洲，为北营地准备飞机。在南极洲准备美国飞机的团队于 11 月 10 日抵达。现在我们将看看我们绘制甘布尔采夫山脉的策略是否能让它们重回地图。