当我们的 P-3 飞行研究实验室掠过威德尔海冰面时，我紧紧地趴在地板上。 我平躺着，透过飞机底部的舱门向外看，海豹、企鹅和冰山在视野中忽隐忽现。 从 500 英尺高空俯瞰，除巨型冰架外，一切都显得很小——它们似乎是无边无际的冰层，厚度相当于几个足球场的长度，漂浮在南大洋中，环绕着几乎覆盖整个南极大陆的冰盖。 在 20 世纪 80 年代中期，我们所有的飞行都是勘测飞行：一旦离开我们在智利南部的基地，我们就有 12 个小时的飞行时间，因此我们有足够的时间与飞行员聊天，讨论在冰架上迫降的可能性。 这绝不是闲聊。 我们不止一次损失了四个发动机中的一个，1987 年，沿着南极半岛附近的拉森 B 冰架边缘出现了一条持续可见的巨大裂缝——这清楚地表明，紧急迫降绝不会是轻柔的着陆。
这条裂缝也让我们感到疑惑：这些巨大冰块下方的海洋是否正在变暖到足以使它们破裂的程度，即使它们已经稳定了一万多年？
将近十年后，我在科罗拉多州博尔德市国家冰雪数据中心的同事特德·斯坎博斯开始注意到，我从 P-3 上看到的同一冰架的天气卫星图像发生了变化。 单调的白色冰面上开始出现黑点，像雀斑一样。 随后的彩色图像显示，这些黑点是明亮的深蓝色区域。 全球气候变化使南极半岛的升温速度超过地球上任何其他地方，拉森 B 冰面的部分区域正在变成蓝色的融水池塘。 已故冰川学家戈登·德·Q·罗宾和西北大学冰川学家约翰内斯·韦特曼在几十年前就曾提出，地表水可能会使冰架裂开。 斯坎博斯意识到，积水可能会起到同样的作用，凿穿冰架到达下方的海水，从而使整个冰架破裂。 然而，什么也没发生。
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也就是说，在 2001-2002 年南极洲夏季初期之前，什么也没发生。 2001 年 11 月，斯坎博斯收到了一条来自佩德罗·斯夸尔卡的信息，他至今记忆犹新。斯夸尔卡是阿根廷南极研究所的一位冰川学家，当时他正试图在拉森 B 冰架上进行实地考察。 到处都是水。 深裂缝正在形成。 斯夸尔卡发现他根本无法工作，也无法移动。 然后，在 2002 年 2 月下旬，池塘开始消失，排水——水确实正在凿穿冰架。 到 3 月中旬，引人注目的卫星图像显示，拉森 B 冰架大约 1300 平方英里的区域已经破碎，这块冰架比罗德岛州还大。 除了一支由曼哈顿大小到微波炉大小不等的冰块组成的舰队外，什么也没剩下。 我们这个已经稳定了数千年的紧急迫降地点消失了。 3 月 20 日，斯坎博斯拍摄的冰架崩塌的引人注目的卫星图像登上了《纽约时报》的头版头条。
突然间，全球变暖可能导致冰冷极地世界发生快速变化的可能性变得真实起来。 仿佛是为了强调这种可能性，第二年 8 月，地球另一侧的海冰范围达到了历史最低点，格陵兰冰盖表面的夏季融化量也超过了以往的任何观测值。 格陵兰的融水也涌入冰层裂缝和被称为冰臼的开口洞穴中——然后，大概是涌入了冰盖底部，将夏季的热量带了下去。 在那里，融水可能与泥浆混合，而不是像拉森 B 冰架崩解时那样与海水混合，形成了一种浆液，这种浆液正在平整基岩上的道路——“润滑”冰和岩石之间的边界。 但无论通过何种机制，巨大的格陵兰冰盖都在加速越过其岩石锚地，向大海方向移动。
最近，作为正在进行的国际极地年 (IPY) 调查的一部分，我的同事和我一直在追踪南极洲巨大冰盖底部的“管道”系统的轮廓。 虽然南极洲冰盖滑行的润滑液态水很可能并非来自地表，但它具有相同的润滑效果。 而且，那里的部分冰盖也正在以加速滑移和破裂来做出反应。
为什么这些过程如此令人担忧，又如此至关重要，需要我们去理解呢？ 世界人口的三分之一居住在海平面以上约 300 英尺的范围内，地球上大多数最大的城市都位于海洋附近。 每当有 150 立方英里的冰从陆地转移到海洋时，全球海平面就会上升约十六分之一英寸。 这听起来似乎不多，但请考虑一下现在锁在地球三大冰盖中的冰量。 如果南极洲西部冰盖消失，海平面将上升近 19 英尺； 格陵兰冰盖中的冰可能会在此基础上再增加 24 英尺； 而南极洲东部冰盖可能会使世界海洋的海平面再增加 170 英尺：总共超过 213 英尺。 （相比之下，从底座顶部到火炬顶部的自由女神像大约高 150 英尺。）液态水在冰盖的内部运动和向海流动中起着至关重要且直到最近才被充分认识到的作用。 确定液态水是如何形成的、它出现在哪里以及气候变化如何加剧其对世界极地冰层的影响，对于预测和准备全球变暖对海平面造成的影响至关重要。
冰层中的隆隆声
冰川学家们早就意识到冰盖会发生变化； 研究人员只是假设这些变化是渐进的，是可以通过碳 14 年代测定推断出来的那种——而不是像拉森 B 冰架崩解那样，可以在普通日历上标记出来的那种。 在理想化的观点中，冰盖在其中心积累雪——主要来自蒸发的海水——并通过融化和崩解冰山，在其外围向海洋排放大致相等的质量。 例如，在南极洲，大约 90% 流入海洋的冰是由冰流携带的，冰流是巨大的冰传送带，厚度与周围冰盖相同（介于 3500 到 6500 英尺之间），宽度为 60 英里，从海洋“上游”延伸超过 500 英里。 冰流在冰盖中移动时，会在其两侧留下裂缝，因为冰流会向前猛冲。 在冰盖靠近海洋的边缘，冰流通常以每年 650 到 3500 英尺的速度移动； 而周围的冰盖几乎不动。
但长期冰平衡是一种理想化的状态； 真正的冰盖并不是我们星球上的永久固定物。 例如，冰芯研究表明，格陵兰冰盖在遥远的过去比今天小，尤其是在最近的间冰期，即 12 万年前，当时全球气温温暖。 2007 年，哥本哈根大学的埃斯克·威勒斯列夫带领一个国际团队，在冰盖底部的 DNA 中寻找古代生态系统的证据。 他的团队的发现揭示了格陵兰岛在 40 万年前还被针叶树覆盖，并且生活着甲虫和蝴蝶等无脊椎动物。 简而言之，当全球气温变暖时，格陵兰冰盖就会缩小。
如今，格陵兰冰盖顶部的降雪量实际上正在增加，据推测是由于气候模式的变化。 然而，其边缘的质量损失已经足够大，足以将天平倾斜到净减少的一侧。 冰盖边缘的海拔正在迅速下降，卫星对重力微小变化的测量也证实，冰盖边缘正在损失质量。 速度测量表明，主要的出口冰川——以山脉为界的冰流——正在迅速加速向海移动，尤其是在南部地区。 沿着冰盖的出口冰川，冰川地震的隆隆声变得越来越频繁。
与格陵兰冰盖一样，南极洲西部冰盖也在损失质量。 而且，与格陵兰冰盖一样，它在最近的地质时期已经消失——并且，据推测，可能会再次消失。 北伊利诺伊大学的里德·P·舍雷尔在南极洲西部冰盖的一个钻孔底部发现了海洋微体化石，这些化石仅在开放的海洋条件下形成。 这些化石的年龄表明，开放水域生物可能早在 40 万年前就曾在那里生活过。 它们的存在意味着南极洲西部冰盖一定在那段时间消失过。
只有南极洲东部的冰盖在过去 3000 万年里地球的气温波动中持续存在。 这使其成为迄今为止最古老、最稳定的冰盖。 它也是最大的冰盖。 在许多地方，它的冰层厚度超过两英里，其体积大约是格陵兰冰盖的 10 倍。 它最初形成于大约 3500 万年前南极洲与南美洲分离时，当时全球二氧化碳水平下降。 南极洲东部冰盖的内部似乎正在略微增长，但观察员已经探测到其边缘的一些局部冰量损失。
加速损失
哪些过程可能导致今天在格陵兰岛和南极洲西部冰盖中观察到的净质量损失？ 正如人们可能预料的那样，这两个冰盖的损失最终都源于冰流和出口冰川加速，这些冰流和出口冰川将质量输送到海洋。 当然，额外的冰量排开的额外水体积是导致全球海平面上升的原因。 （可能值得一提的是，漂浮冰架的崩解或融化对海平面没有净影响。 原因在于，漂浮冰排开的水体积等于其自身的重量； 当它融化时，其重量不会改变，但其新的、较小的体积现在正好可以容纳在它作为冰时排开的相同体积中。）
在过去的五年里，研究人员对可能引发加速流动的过程有了两个重要的新认识。 首先，当冰流的底部遇到泥浆、融水甚至间歇性润滑其路径的深湖时，冰流可能会突然加速。 其次，如果远洋冰架（漂浮在南极洲周围的南大洋中）或冰舌（与单个出口冰川相连的长而窄的冰架，在格陵兰岛的峡湾中很常见）崩解，它们的巨大质量将不再阻碍冰流的流动。 例如，在拉森 B 冰架于 2002 年解体后，为其供冰的冰川显著加速。 因此，被“拔掉塞子”的陆基冰流和冰川，以前受到遏制，现在可能会加速它们向海的迁移，最终增加海洋的总水量。
冰川学家长期以来已经认识到加速冰盖流动的第三种触发因素，这种触发因素与第二种因素密切相关。 正如冰川在拉森 B 冰架解体时加速一样，如果温暖的洋流使冰盖流入的冰架变薄，冰盖也会加速。 在南极洲西部阿蒙森海区域，冰盖表面每年下降多达五英尺，冰盖加速了 10%，这显然都是对冰架变薄的反应。
“润滑滑轨”
拉森 B 冰架的崩解以及格陵兰岛地表水突然排水与冰盖加速流动之间同样令人震惊的关联，促使我和我的许多同事将研究重点放在冰盖内液态水的作用上。 我们发现，液态水帮助了向海冰运动跟上内部降雪的速度，在某些情况下，维持了冰盖数百万年的动态平衡。 例如，在南极洲西部冰流中，由于移动的冰和下伏岩石之间的摩擦产生的热量，润滑水从冰盖底部的冰中融化出来。 在南极洲东部，水在冰盖底部融化的主要原因是来自下伏大陆地壳的热量。 南极洲东部的冰层非常厚，可以充当隔热毯，捕获地热。 所有这些冰下水都为冰的运动引入了巨大的不稳定潜力。 诸如拉森 B 冰架崩解之类的事件比冰川学家以往认为的更有可能加速上游冰的流速。
冰盖底部可能会首先融化的想法最早出现在 1955 年，当时戈登·罗宾提出，如果覆盖冰盖足够厚，可以将其底部与寒冷的地表隔绝，地热可能会导致大范围的冰下水。 但他的建议直到 20 世纪 70 年代才得到证实，而且是以一种令人震惊的方式证实的。 到那时，穿透冰层的雷达已经发展到可以“看穿”冰盖到达下伏表面的程度。 罗宾组织了一支由美国、英国和丹麦组成的团队，从在南极洲大陆上空来回飞行的飞机上收集此类雷达数据。 大多数时候，机载示波器上的雷达回波信号是不规则的，正如人们预期的那样，信号是从被厚冰覆盖的丘陵和山谷反射回来的。 然而，在某些地方，它看起来好像有人在示波器上画了一条直线。 雷达能量是被更像镜子的表面反射回来的。 罗宾的职业生涯是从水手开始的，他得出结论，镜面般的表面一定是冰盖下方的水。 雷达数据显示，一些冰下“镜子”持续了近 20 英里，但罗宾对它们的真实规模或深度一无所知。
罗宾不得不再次等待近二十年才能获得新技术。 在 20 世纪 90 年代，欧洲航天局完成了首次冰面综合测绘。 看着图像，人们立刻被冰盖中心的一个平坦区域所吸引。 在水面之上约两英里的地方，俄罗斯南极基地东方站面向着冰面，勾勒出了湖泊的平坦轮廓。 沃斯托克湖的面积现在变得显而易见； 它和安大略湖一样大。
冰下管道系统
冰下湖泊的发现从根本上改变了研究人员对冰下水的看法。 它不是罕见的，而是丰富且分布广泛的。 迄今为止，已在南极洲发现了 160 多个冰下湖泊。 它们的总体积接近地球上其他地方所有地表湖泊水量的 30%。 我在 2001 年对南极洲东部沃斯托克湖的研究揭示了一个相当稳定的系统。 在过去的 5 万年里，湖水通过融化和冻结与上覆冰盖缓慢交换。 当然，在更遥远的过去，情况可能并非如此平静：地质证据表明，冰下湖泊可能会突然排水，一次性喷出，释放出大量的水到冰盖下或直接流入海洋。 环绕整个南极洲大陆的是深达 800 多英尺的巨大山谷（足以吞没纽约市的伍尔沃斯大厦）：这是巨型洪水的伤疤。
但沃斯托克湖和其他冰下湖泊被认为是天然博物馆，在数百万年前与世界其他地方隔绝了。 1997 年，第一个暗示这种冰下洪水仍然发生的迹象来自南极洲西部。 冰盖表面在三周内下沉了 20 多英寸。 唯一合理的解释是，水正在从冰下湖泊中排出，导致上覆冰层下沉。 由伦敦大学学院的邓肯·J·温厄姆领导的一个小组还测量了当年南极洲东部大部分地区的冰面海拔。 在一个区域，冰盖在 16 个月内下沉了约 10 英尺，而在 180 英里下坡处的两个区域，冰盖上升了约 3 英尺。 同样，解释也很明显：一条冰下河流排空了一个湖泊的水，并填满了下游的两个湖泊。
一年多前，加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所的海伦·A·弗里克正在研究 ICESat 航天器对冰面海拔进行的精确测量。 就在弗里克准备与家人一起度过阵亡将士纪念日周末航行之前，其中一个冰盖剖面发生了剧烈偏离。 南极洲西部最大的冰流之一边缘的一个区域发生了塌陷——在 24 个月内下降了近 30 英尺。 从周末回来后，弗里克检查了她新发现的恩格尔哈特湖周围的冰面——并很快意识到它只是级联冰下湖泊系列中的一个。 大量水通过主要冰流下方的管道系统排出，已被证明是冰流流动速度快速变化的又一个因素。
湖泊效应
大约在同一时间，我怀疑冰下湖泊可能会影响冰盖的稳定性，我意识到新的卫星图像可以很容易地发现此类湖泊。 此外，冰盖模型预测，可能还有一组大型湖泊尚未被发现。 我对有机会找到它们很感兴趣。 因此，借助新的图像和 ICESat 激光数据，我的同事和我发现了四个新的冰下湖泊，其中三个比除沃斯托克湖以外的所有其他湖泊都大。
然而，与冰下河流和塌陷的湖泊相比，“我的”四个新湖泊简直是乏味的。 我所在领域所有令人兴奋的新成果都集中在快速变化的极地冰层以及冰盖升高海平面的潜力上。 然而，这些湖泊一直困扰着我。 它们远离冰盖中心，而大多数大型湖泊都出现在那里。 沿着一个湖泊的边缘形成了冰隙和裂缝； 我可以在卫星图像中看到冰隙带。
正如我之前提到的，当冰流在冰盖内快速向前移动时，就会形成冰隙。 看着图像，我可以看到冰盖中的流线，这些流线将冰隙区域连接到一条快速流动的冰流，称为恢复冰流。 卫星干涉测量显示，恢复冰流在湖泊处开始加速。 在冰盖穿过湖泊之前，其速度不超过每年约 10 英尺。 在湖泊的另一侧，冰盖加速到每年 65 到 100 英尺之间。 因此，湖泊似乎正在触发冰盖内的冰流流动。 这一发现是首次将冰下湖泊与加速的地表流动直接联系起来。
我的同事和我仍然不确定这种联系究竟为何会发生。 也许湖泊正在缓慢地从盆地中泄漏出来，从而为冰盖底部提供水以进行润滑。 或者湖水可能会在冰盖穿过湖泊时温暖冰盖底部，从而使冰盖更容易在湖泊的另一侧加速。
国际极地年
在过去的两年里，人们对冰盖中的水和冰下湖泊的理解发生了巨大的变化。 但这种理解绝非完整。 国际极地年的主要目标之一是评估极地冰盖的状况，并确定它们在不久的将来的变化情况。 政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 最近的报告强调，在预测全球变暖的影响时，最大的疑问是极地冰盖未来的不确定性。 迄今为止使用的气候模型都没有考虑冰流等主要特征，也没有任何模型纳入冰盖底部的准确表示。
仅凭这些原因，通过当前气候模型预测未来的海平面变化，大大低估了极地冰盖对海平面上升的未来贡献。 但通过量化冰的运动来更新模型仍然需要大量的研究工作。 简而言之，如果冰川学家不知道冰盖底部发生了什么，就没人能预测冰盖会随着时间推移发生怎样的变化。 而做出此类预测的关键问题是：冰下水究竟在哪里？ 它是如何流动的？ 它如何影响冰盖的运动？
国际极地年为查明真相提供了绝佳的机会。 通过调动国际科学团队和后勤保障，研究人员将能够部署新一代机载雷达来绘制冰下水分布图。 最初为采矿业开发的新型重力测量仪器将被改造用于估算冰下湖泊中的水量。 对冰面进行精确的海拔测量将能够监测水的运动。 新安装的地震仪将监听冰川地震。
在格陵兰岛，冰川学家将安装仪器来测量冰盖通过主要出口冰川的运动。 堪萨斯州劳伦斯市冰盖遥感中心将部署一架无人驾驶飞行器，系统地绘制冰盖底部的水分布图。 在南极洲东部，我的小组将驾驶一架双水獭飞机（一种双引擎、螺旋桨驱动的飞机）飞越恢复湖泊和未开发的甘布尔采夫山脉，以了解湖泊是如何形成的以及它们是如何触发冰流的。 与此同时，一个由美国和挪威组成的团队，包括特德·斯坎博斯，将穿越恢复湖泊，测量冰盖的速度及其沿顶部的温度梯度。 一个俄罗斯团队将寻求对沃斯托克湖进行采样； 一个意大利团队将研究位于南极洲东部法意站附近的康科迪亚湖； 一个英国团队将调查南极洲西部埃尔斯沃思山脉中的一个湖泊。
所有这些努力——在对人类工作来说仍然令人生畏的条件下——反映了国际科学界的共识和紧迫性：理解不断变化的冰盖以及控制其活力的水对于我们社会的未来至关重要。