南极洲的冰川是否正在崩塌？

冰川正在融化。海平面正在上升。我们已经知道海水将沿着东海岸、墨西哥湾和世界各地的海岸线向内陆移动。科学家们正在迫切想要弄清楚的是，洪水是否会比预期的更严重——是几英尺而不是几英寸。最大的问题是：我们是否正在进入冰川融化速度更快的时代？如果是这样，速度和幅度会是多少？答案很大程度上取决于南极洲西部巨大的思韦茨冰川对人类决策的反应。这将决定在海边街道上巡航的黄貂鱼是跑车还是带有长而险恶尾巴的隐形生物。

全球变暖正在融化山区冰川，并使海水膨胀，同时缩小两极的冰层。在过去 25 年的全球海洋平均水平中，海平面每年上升略多于十分之一英寸，或大约每世纪上升一英尺。融化地球上剩余的山地冰川将使海平面再升高略多于一英尺。但是，北极和南极陆地上巨大的冰盖蕴藏着超过 200 英尺的海平面上升潜力；它们的一点点变化就会给我们的海岸带来巨大变化。绵延数英里、高达数千英尺的冰崖可能会稳定地崩解和消失，从而显着升高海平面。

对于本世纪海平面额外上升的合理预测仍然是适度的——中等程度的变暖可能上升两英尺，即使是强烈变暖也不到四英尺。科学家有确凿的证据表明，长期持续的升温将在随后的几个世纪中大大增加这一幅度。但是，如果冰盖的前缘后退，世界可能会进入冰川融化速度更快的时代。

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为了了解这种情况是否可能发生，我们从今天正在发生的变化中寻找线索，并借助对地球过去和冰的物理学的深刻理解。许多线索来自大约二十年前在雅各布港冰川上开始发生的巨大变化，雅各布港冰川是格陵兰冰盖的重要组成部分。冰川在自身重量的作用下向海洋蔓延，前缘融化或脱落，并被后方流来的冰所取代。当损失速度快于后方冰流速度时，前缘就会向后退缩，从而缩小陆地上的冰盖并升高海平面。

在 20 世纪 80 年代，雅各布港冰川是已知移动速度最快的冰川之一，它快速地向巴芬湾移动，尽管它受到了冰架（漂浮在海面上的冰的延伸部分）的阻挡。在 20 世纪 90 年代，海洋升温约 1.8 华氏度（1 摄氏度）瓦解了冰架，其后陆地上的冰川的响应是，它向海岸移动的速度加快了一倍以上。如今，雅各布港冰川正在广泛地退缩和变薄，是全球海平面上升的最大单一贡献者之一。那里的地质岩石记录表明，过去曾发生过类似的事件。我们目前的观测结果揭示了正在改变其他格陵兰冰川的类似活动。

如果更大的思韦茨冰川像雅各布港冰川那样“解开”，它和邻近的冰川可能会崩塌，可能只需几十年，海平面将升高 11 英尺。那么，我们是否面临着在不久的将来发生灾难性海平面上升的风险？或者这种风险被过度夸大了？我们如何知道思韦茨冰川将如何表现？数据正在实时涌入。

海岸边的华夫饼

计算思韦茨冰川的威胁是复杂的。为了理解它，让我们从早餐开始。如果您将面糊倒在华夫饼烤盘上，您的面糊堆会铺满烤盘的网格。从物理学角度来看，面糊的重量会将面糊堆向外推，以抵抗下方网格上的摩擦力。随着烹饪使面糊变硬，或者如果您用铲子将面糊挡住，这种蔓延速度会减慢。

冰川冰盖就像巨大的华夫饼，厚达两英里，宽度达一个大陆。雪落在顶部，并在后续降雪的重量下被挤压成冰。这些巨大的冰堆非常坚固——我曾在重型滑雪装备的军用运输机上降落在它们上面——但它们仍然会蔓延。它们的温度通常在熔点几度以内，这使得冰足够柔软，可以从高耸的中心区域缓慢地流向边缘，在那里它更容易融化和崩解。格陵兰岛和南极洲等较厚或较陡峭的冰堆蔓延速度更快。

在不受干扰的情况下，冰盖会不断增长，直到它足够厚且陡峭，以至于蔓延、融化和崩解与持续增加的降雪量达到平衡。冰堆可以长期保持在一个大小。但我们的地球正在变暖，情况并非如此。每年落在格陵兰岛和南极洲的雪中的水分（几乎全部来自海洋）相当于从所有海洋蒸发的水层，深度略多于四分之一英寸。冰盖现在正在向海洋返回大约比这个量多 15% 的水量，通过融水径流或“崩解”的冰山，这会略微升高海平面。如果融化量在足够长的时间内持续大于降雪量，冰盖可能会消失。但在最近的速度下，这可能需要将近 10 万年。然而，如果气温升高，融化速度会加快。这就是我们全球正面临的情况。

可怕的美丽

冰盖的流动取决于冰堆有多坚固、底部在陆地上有多润滑以及是否被铲子——附着的漂浮冰架——挡住。普遍的大气变暖会使冰变软，并解冻冰底与下方岩石冻结的地方，从而使冰更快地滑向海洋。但是热量需要很长时间才能通过两英里厚的冰堆进行传导。自从 1 万多年前最近一次冰河时代结束以来，巨大的冰盖尚未完成因气温升高而产生的升温！

更快地温暖冰及其床层的方式是让顶部融化的水倒入冰隙中。在格陵兰冰川侧翼的某些地方，夏季的融水聚集在地表的大洼地中，形成美丽的大型蓝色湖泊。水比冰密度大，因此往往会楔开可以到达底部床层的冰隙并排空湖泊。一个不断扩大的湖泊可以穿透半英里或更厚的冰层，形成比尼亚加拉大瀑布更大的水流。在一个小时内，它可以使床层升温的程度相当于 1 万年来的升温程度。

这个过程很重要，我们正在积极研究它。但这并不是地球海岸居民最担心的，因为崎岖不平的床层也可以阻止冰川加速流向海洋。

如果发生在冰架上，同样的机制会构成更大的威胁。在非常寒冷的地方，流入海洋的冰仍然附着但漂浮。这些冰架几乎总是出现在受保护的海湾或峡湾中。冰架的运动会因沿岸线周围的摩擦力以及可能来自海底向上突出的部分而减慢，在这些地方，冰会在局部搁浅。冰架减缓了陆地上非漂浮冰流向海洋的速度。

变暖的空气会在冰架顶部形成湖泊。当湖泊突破冰隙时，冰架可能会解体。例如，南极半岛的拉森 B 冰架（在思韦茨冰川以北）在 2002 年的短短五周内几乎完全解体，冰山崩解并像多米诺骨牌一样倾倒。这并没有立即升高海平面——冰架已经漂浮——但冰架的消失使它后面的陆地冰盖更快地流入海洋——就像拉开铲子一样，让面糊流走。冰流的速度比之前快了六到八倍。幸运的是，狭窄的南极半岛的拉森 B 冰架后面没有太多冰，因此它只略微升高了海平面。但这一事件提醒社会，冰架可能会迅速解体，释放出它们一直阻挡的冰川。冰架也可能被变暖的海水从下方融化，雅各布港冰川就发生了这种情况。

当冰架消失时，冰山会直接从面向大海的冰盖悬崖上崩解。虽然这让阿拉斯加和其他地方的游轮乘客感到高兴，但这加速了冰盖的消亡。如今，在雅各布港冰川，冰山是从高出海面 300 多英尺的悬崖上崩解下来的——一栋 30 层楼高的建筑——并且在水下延伸了大约九倍。当这些冰山翻滚时，它们会溅起 50 层楼高的水花，并引发可以从美国监测到的地震。

到目前为止，冰架消失和冰崖崩解对海平面上升的贡献不大。但在思韦茨冰川，这个过程可能会使海平面上升幅度更大，因为一个地质意外将冰川置于进入巨大的本特利次冰川海沟的“临界点”附近。

跃过隆起

1956 年秋季的一个早晨，查尔斯·本特利（多年后成为我的博士生导师）在哥伦比亚大学为他的论文答辩。第二天，他跳上火车前往巴拿马，然后搭乘一艘南下的轮船，成为国际地球物理年研究项目的一员，该项目旨在分析地球。他在南极洲西部度过了两年，返回后发现他尚未毕业，因为他的论文费用尚未支付。与此同时，他和他的团队穿越了 3000 多英里的冰面，往返于伯德站研究基地和广阔的南极洲西部。（本特利于 2017 年去世，享年 87 岁。）

在他们进行的许多测量和发现中，对我们的故事最重要的是冰层厚度。他们在地表设置了小型爆炸装置，并使用地震检波器监听穿过冰盖并从床层反弹回来的声音。这些数据表明，南极洲西部并非像某些人预期的那样是覆盖在高大陆上的薄冰层。相反，本特利和他的团队发现了非常厚的冰层，他们发现了本特利次冰川海沟。在那里，床层骤降到海平面以下超过一英里半——地球上最深的地方，但不在海洋之下。而填充它的冰层则延伸到海平面以上一英里多。

本特利和跟随他的冰川学家发现了临界点。巨大的海沟和相邻的盆地位于南极洲西部冰盖的广阔中心下方。如果思韦茨冰川的前缘从海岸退回到海沟中，它可能会形成数千英尺高的冰面，从海沟上方一直延伸到海沟深处。这样一个悬崖——比雅各布港冰川或地球上任何其他地方都大得多——可能会快速崩解，形成极其巨大的冰山，这些冰山会翻滚并漂浮穿过海沟出口进入海洋，从而大大升高海平面。

数十年的额外研究已经确定了这种机制的重要性。约翰·安德森最近在莱斯大学工作 43 年后退休，他的许多研究生孜孜不倦地使用侧扫声纳和其他工具绘制了南极洲周围海洋下的大陆架地图。在冰河时代，南极洲的冰川向各个方向延伸了许多英里，并在冰河时代结束时退缩。今天南极洲周围的海底是过去冰盖下的床层。海底沉积物中留下的蛛丝马迹为我们提供了有关冰盖的准确故事。

其中一个故事是，随着不断扩张的冰盖向前推进到海洋中，它们会将沉积物一起拖走。当冰到达海底的局部高点时，冰会稳定下来，然后在那里通过将沉积物堆积成凸起的冰碛浅滩来抬高海底——冰的末端会形成长长的石质墙。冰可以在这样的位置停留数百年或数千年，抵制微弱的努力来将其移开。但是，如果发生足够的变暖，冰就会沿着倾斜的床层退回到浅滩后面的山谷中。冰很少再次稳定下来，直到它到达下一个高脊，通常远在后面。与此同时，冰山漂浮在废弃的冰碛浅滩上，冰碛浅滩仍然低于海平面，然后进入海洋。

这种情况现在正在南极洲和格陵兰岛的许多地方发生。雅各布港冰川已经“跃过”了以前的冰碛浅滩的“隆起”，并且正在退回到其峡谷状的峡湾中，为进入更大的冰盖“解开”了一条通道。当第一批欧洲探险家访问现在的阿拉斯加冰川湾地区时，那里被一个巨大的冰川所覆盖，冰川终止于一个巨大的冰碛浅滩上。从那时起，冰川已经从那个山脊或隆起处退缩了 60 多英里进入内陆，才到达下一个高地，即今天美丽的海湾的当前海岸线。

幸运的是，大多数此类退缩对全球海平面只有有限的影响。即使是像冰川湾这样大的冰川，与世界海洋相比也很小。雅各布港冰川只是格陵兰冰盖周围数十个主要排水系统之一，但它们不会迅速破坏相邻峡湾中的邻居的稳定性，而且它们最终会到达不太远的内陆，在那里床层再次升高。同样，南极洲也有大量冰川排入各自的华夫饼烤盘状山谷。如果变暖程度足够，它们中的许多可能会同时退缩，但就其本身而言，每一个对全球海洋的影响都不大。

南极洲西部的本特利海沟和南极洲东部的其他几个深层区域，包括威尔克斯盆地和奥罗拉盆地，呈现出不同的情况。通过其中一个退缩到下一个高地将具有全球重要性。模型表明，思韦茨冰川是进入本特利海沟和连接盆地的最可能路径。如果它像雅各布港冰川那样开始向内陆“解开”，融化可能会使海平面升高 11 英尺，然后才在海沟另一侧的高地上稳定下来。南极洲东部的盆地本身可能会使海平面升高的高度超过思韦茨冰川，但它们需要更多的变暖才能使这些冰川跃过它们的隆起。

请注意，这种情况并非离奇。在充分变暖的情况下，冰川会退缩，通常退缩到下一个高地。这在过去和现在都已被反复观察到。如果思韦茨冰川变得足够温暖，开始像格陵兰岛和阿拉斯加的冰川那样活动，那么它应该会退缩。

支离破碎的未来？

思韦茨冰川的退缩速度有多快？在我们到达那里之前，我们会造成多少变暖？

我的同事宾夕法尼亚州立大学的大卫·波拉德和马萨诸塞大学阿默斯特分校的罗伯特·M·德孔托编写了一个冰流模型，该模型使用了相关的物理学，并且可以在高级计算机上快速运行，以研究冰盖在长时间内的巨大变化。我在冰架崩解后从高悬崖上崩解下来的物理学方面为他们提供了一些帮助，特别是如果地表融水楔开冰隙。

波拉德和德孔托优化了这个模型，以匹配来自地质过去的资料，并评估人类引起的变暖的不同程度的影响。他们确定，即使在快速变暖的情况下，在思韦茨冰川因冰架消失和融水扩大冰隙而引发崩塌之前，我们可能还有几十年的时间。然后，思韦茨冰川将需要大约一个世纪才能完全崩塌。但是，他们不知道冰崩解的速度有多快，因此他们将最高速度设定为格陵兰岛雅各布港冰川的速度。（它已经短暂地超过了这个速度。）而且由于思韦茨冰川更厚，它可能会形成比雅各布港冰川更高的悬崖。较高的悬崖往往崩解得更快（公路工程师留下斜坡而不是悬崖的原因之一）。因此，我们可能低估了最坏的情况，但我们真的不知道。

这是一个很好的模型，但这肯定不是波拉德和德孔托或其他人的最后结论。仍然存在一些希望，例如，思韦茨冰川可能会在海沟下坡的更深山脊上稳定下来，位于其当前位置之后，然后再进一步退缩。或者，冰山可能会崩解并暂时堆积在冰现在开始漂浮的当前山脊后面，从而帮助重新形成可以减少冰损失的冰架。

为了解决这些问题和其他问题，美国国家科学基金会和英国自然环境研究委员会以及其他国际合作者共同发起了一项重大努力，以进一步了解思韦茨冰川的历史、冰川的流动方式以及冰川流经的海底表面，这将有助于我们所有参与者更好地预测其未来。* 这些数据几乎肯定会减少不确定性，并且会非常引人入胜。

有些问题可能仍然难以回答。想想您见过的所有掉落在硬地板上的陶瓷咖啡杯。有些会弹跳，有些会破裂，有些会碎裂，有些会碎成数百万片。这些断裂的物理过程是众所周知的并且很容易计算，并且跨许多掉落杯子的平均行为是可以预测的。但是，您不会想押上您的职业生涯或任何其他重要的东西来预测下一个撞击地板的杯子的命运。

思韦茨冰川的未来很大程度上取决于断裂。冰架是否会从现在为其供冰的冰层中断裂，导致冰盖跃过隆起并退缩到深盆地中？如果冰架消失导致冰盖表面形成比地球上任何地方都高的悬崖，巨大的冰山是否会迅速崩解，从而以比我们见过的任何速度都快的速度驱动退缩？融水很重要，但是有多少水会以河流的形式流入大海，又有多少水会渗入雪中并重新冻结？空气变暖的速度有多快？我怀疑与咖啡杯相比，这些都更容易预测。

如果世界能够集聚力量，减缓和阻止温室气体排放造成的变暖将减缓海平面上升，从而减轻沿海破坏不断增加的成本。但是，如果思韦茨冰川注定要迅速退缩，那么通过限制人类活动造成的损害来阻止变暖可能会具有更大的价值。

*编者注（2019 年 2 月 22 日）：印刷版中的这句话在网上发布后进行了编辑，以更正一个错误。原文指的是英国南极调查局，而不是英国自然环境研究委员会。