克雷格·史蒂文斯每隔两小时就会收到来自南极洲的短信。
这些信息来自一个狭窄且极其昂贵的金属管，它悬挂在罗斯冰架下的南大洋中。这个管子装有传感器，定期记录周围不同深度的水温、盐度和洋流。然后，该仪器通过卫星电话将测量结果中继给史蒂文斯，他是新西兰惠灵顿国家水与大气研究所的海洋学家。
这些数据为了解地球上最偏远、鲜为人知的环境之一提供了线索。“在我们看到冰架下有什么之前，我们已经收到了来自金星表面的照片，”史蒂文斯说。几乎没有人冒险进入过这些巨大的漂浮冰崖之下。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
但是，南极洲冰架下发生的事情极其重要。冰与海洋之间的界面影响着气候变化如何影响全球海平面、洋流、天气模式和海洋生态系统。
大约四分之三的南极洲海岸线被冰架覆盖——冰架是由冰川流向海洋时汇合形成的漂浮冰原。大约有300个这样的冰架，覆盖面积超过160万平方公里。其中最大的罗斯冰架，面积大约相当于西班牙；其下方的海洋包含的水量与北海一样多。
冰架与基岩之间的摩擦力，即冰接触海底或周围海岸线的地方，产生向后的力，减缓冰的流动并稳定其后的冰川。当冰架崩塌或变得太薄时，陆地冰盖会更快地流入海洋。正是这种陆基冰的涌入导致了海平面上升。
而且这种贡献正在增加。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）2019年9月的一份报告1，2012年至2016年间，世界冰盖融化导致海平面每年上升1.2毫米，是二十年前的七倍。南极洲的冰盖覆盖面积为1400万平方公里，格陵兰岛的冰盖延伸面积为170万平方公里。报告称，这些冰盖将是本世纪及以后海平面上升的主要驱动因素。
但是，尚不清楚有多少冰盖会消失，通过什么机制消失，以及在什么时间范围内消失，尤其是在南极洲。“这极大地增加了未来海平面上升贡献的不确定性，”英国剑桥英国南极调查局的海洋学家基思·尼科尔斯说。
为了更自信地预测海平面上升，科学家需要更好地了解冰-海界面发生的情况。 这也将帮助他们了解气候变化可能如何影响受冰架和冰盖融水影响的海洋的其他方面，例如洋流模式以及全球热量和养分输送。
注意下方
冰架缩小主要有两种方式。第一种是从向海一侧边缘崩解冰山，这种方式引人注目且容易识别。第二种是冰架从下方融化，这种方式是隐蔽的，但事实证明是更重要的机制。
自 20 世纪 60 年代以来，纽约州帕利萨德斯市拉蒙特-多尔蒂地球观测站的海洋学家斯坦利·雅各布斯一直在进行南极研究航行。他说，即使在当时，冰架与周围水域的相互作用也很明显。“它们位于海洋中，”他说，“在某些情况下，根据冰锋附近的海洋测量，它们正在底部融化。”
但是，这种底部融化，称为基底融化，直到 20 世纪 70 年代南极洲卫星观测开始后才容易量化。冰架厚度的卫星测量表明，南极洲的一些冰架比其他冰架经历更多的基底融化并且正在变薄。2013 年，一项基于卫星数据的估计2表明，南极洲的冰架每年净损失 2870 亿吨冰（参见“冰雪大陆”）。
南极冰盖由东、西两个不同的冰盖组成，它们的动态各不相同。一项基于 1994 年至 2012 年间收集的卫星数据的分析3 表明，在南极洲东部，冰架在该时期的前半段增厚，但随后停止积累质量。在南极洲西部，冰架的变薄贯穿整个研究期间，并且随着时间的推移而加速。
南极洲西部冰架的变薄尤其令人担忧，因为南极洲西部冰盖的大部分位于海平面以下，这使得它比海拔较高的南极洲东部冰盖更容易发生失控崩塌。
经历最快速变薄的冰架集中在阿蒙森海和别林斯高晋海的海岸沿线。在这里，一种被称为绕极深水的海mass，通常在南极大陆架附近环绕南极洲流动，能够进入冰架下的空腔。绕极深水相对温暖，按照南极洲的寒冷标准，这意味着比深海海水的冰点高几度。因此，它可以从下方快速融化冰架，因此对南极洲西部的冰架构成相当大的威胁。
研究表明，阿蒙森海和别林斯高晋海的一些冰架正接近临界点，或者可能注定要消失。但是南极洲是一个高度多变的环境。只有几十年的测量数据，很难知道什么是自然变异，什么不是。
致谢：CryoSat-2 测量冰盖厚度
Autosub 可以记录冰架下的数据。致谢：Svein østerhus
威德尔海豹是有用的研究助手。致谢：Dan Costa，USCS
贸易工具
无论是从高处观察南极冰，还是征募当地人监测海洋，科学家们都在寻找各种方法来研究冰架、附近的海洋以及冰下隐藏的海洋。
卫星
飞越南极冰架的卫星可以使用高度计来测量冰的高度。通过重复的轨道和重复的测量，卫星可以建立冰厚度随时间变化的记录。这创建了冰架的总体视图，但它的精度有限，并且无法跟踪短期或精细空间尺度上的变化。目前有两颗测高卫星在轨运行：NASA 的 ICESat-2，它使用激光高度计来测量冰厚度，以及欧洲航天局的 CryoSat-2，它配备了雷达系统。
地面雷达
地面雷达系统使科学家能够以亚毫米级的精度按小时尺度跟踪冰架厚度的变化，从而深入了解冰架空腔中的潮汐和洋流如何促成冰架底部的融化和再冻结。这些仪器的早期版本既昂贵又笨重，但由基思·尼科尔斯和英国剑桥英国南极调查局的其他科学家开发的名为 ApRES 的系统，部署成本仅为 5,000 英镑（6,400 美元），并且可以使用连接到汽车电池的太阳能电池板无限期运行。其低成本使得同时跟踪冰架上的多个位置成为可能。
钻孔
使用一股温水在数百米厚的冰层中钻孔是一项昂贵而复杂的工作。但它可以直接进入冰架下的海洋——包括冰架边缘内陆数百公里，其他方法难以到达的位置。科学家可以将一系列摄像头、传感器和其他采样设备通过孔洞放下，以获得海洋动力学的详细图像。虽然这种方法仅产生冰架下单个位置的数据，但仪器可以留在那里收集数年的数据。
自主水下航行器和滑翔机
配备最先进海洋仪器的无人潜水器可以在海洋表面深处以及冰架下的空腔深处航行。这为研究人员提供了冰架空腔的广阔视野，而不是将他们限制在特定点的少量测量中。自主水下航行器（AUV）可以记录冰架的形状和深度，以及海底的槽和脊，这些槽和脊会影响冰架下水的循环。
研究人员也开始使用称为滑翔机的较小型自主航行器，它们可以在没有任何人为帮助的情况下探索海洋区域数天或数周——比大型 AUV 长得多。但是，这两种类型的航行器都需要研究船来部署和回收它们，这限制了它们在南大洋可通行月份的使用。
系泊和浮标
海洋学系泊（系在海底的仪器）和自主浮标（可以在水中上下移动）用于建立冰架附近海洋条件长期变化的剖面。例如，浮标收集了罗斯海大陆架三年多的数据。由于浮标可以被编程为在特定时间上升和下降，因此它们可以在海冰覆盖表面的月份保持在水下。
海洋哺乳动物
测量电导率、温度和深度（称为 CTD 标签）的电子设备通常附着在海豹等海洋哺乳动物身上用于生态研究，但物理海洋学家也开始利用这些数据。“海洋哺乳动物探索两极海洋”（MEOP）联盟收集来自标记动物的数据，并将其提供给科学家。MEOP-CTD 数据库包含来自全球标记海洋哺乳动物收集的 500,000 多个海洋学剖面。据估计，纬度 60 度以南的所有此类数据中有 70% 是由这些哺乳动物研究助手收集的。这些动物通常活动范围广泛，并且能够在冬季在海冰覆盖的区域航行。
变革之风
了解什么是自然的途径之一是长期模拟南极冰架。但是，在科学家能够模拟一个世纪内发生的事情之前，他们需要了解冰架周围和下方在几天和几周内发生的事情。然而，“在南极洲环境中使用传统的海洋学工具收集测量数据并非易事，”纽约州立大学奥尔巴尼分校的极地研究员刘纪平说。
想想从罗斯冰架下向新西兰的史蒂文斯发送信息的传感器。将该设备放在那里需要数百万美元的努力，惠灵顿维多利亚大学的一个团队首先在冰架内加热了一个卧室大小的温水水库，然后使用这些水融化了两个直径为 25 厘米的孔，穿透了 300 多米深的冰层。
在如此恶劣的环境中进行科学研究既需要仔细的计划，也需要创造性的即兴发挥。当天气条件阻止了最先进的相机设备的到来时，史蒂文斯和他的团队使用安装在高压外壳中的运动相机在冰架下拍摄——这种设备“在最后一刻被你扔进包里，结果证明很有用”，他说。
有时挫折更为严重。2005 年 2 月，英国制造的无人潜水器 Autosub 在威德尔海东部的一个小型冰架下因水下电子连接器故障而被困。“在南极洲做的很多工作，当你成功完成时，你不会感到喜悦，”领导这项任务的尼科尔斯说。“你只是感到松了一口气，因为这一切并没有变得非常糟糕。”
尽管有这些偶尔的挫折，但卫星测量、各种海洋学技术收集的数据（参见“贸易工具”）和建模研究现在正在揭示复杂的相互作用和反馈循环，这些相互作用和反馈循环影响南极冰架（尤其是南极洲西部冰盖边缘脆弱的冰架）的基底融化。
由于风向的变化，今天到达那些冰架的绕极深水比过去更多。当风从西边吹来时，地球自转产生的科里奥利力将寒冷的表层水推向北方，远离南极洲海岸线。这使得更多温暖的绕极深水向上涌流，从而融化阿蒙森海冰架的底部。
研究人员十年前就知道，南极洲西部海岸线的风正在变得更加西风。这个过程似乎不是自然周期的一部分，而是人类活动的结果。华盛顿大学西雅图分校的冰川学家埃里克·斯泰格领导了一项关于此的研究，他说，“对于我们所看到的损失与全球变暖之间的联系，有一个明确的论据”。
目前，绕极深水可以沿着南极洲西部海岸线约四分之一的地区到达大陆架。但模型表明，到 2100 年，气候变化导致的洋流变化可能会使这种水体到达新的区域，并威胁到该大陆一些最大的冰架，例如罗斯冰架。南极洲东部的一些地区，尤其是托滕冰川，可能也比以前认为的更容易受到绕极深水的影响。
罗斯冰架的一部分已经表现出一些变化。风向的变化正在将海冰从冰架前方的海洋吹走，形成比正常冰间湖更大的无冰区域。与浅色的海冰相比，深色的无冰水在夏季吸收更多的太阳热量，因此水会升温，从而加剧冰架的融化。
更广泛的整合
下一步是将南极冰架动力学与世界另一端的格陵兰冰盖动力学整合起来。格陵兰岛的冰川终止于狭窄的峡湾，那里没有冰架形成的余地。相反，地表融水渗透到冰盖的裂缝中，并进入地表以下数百米的海洋。
“最难测量的事情之一是冰川底部的这种通量，”加利福尼亚州圣地亚哥斯克里普斯海洋研究所的海洋学家菲亚玛·斯特拉内奥说。但是，她说，“这引发了一系列非常有趣和令人兴奋的动力学”。
斯特拉内奥和她的同事记录了新鲜融水羽流如何沿着冰川陡峭的表面快速上升，以与饮料中冰块被勺子搅拌时融化速度加快的方式大致相同的方式，加速冰川表面的融化。他们还表明，格陵兰岛有自己的暖水来源：热带和亚热带水域通过深海洋流输送到格陵兰岛海岸，主要是在该岛的东南部和西部海岸。
更大的图景开始逐渐清晰。今年早些时候，研究人员发表了首次分析4，分析了格陵兰岛和南极洲冰盖的融化可能如何影响全球气候。该研究表明，这些过程将驱动更多变的天气，带来更多极端高温和低温，并削弱北大西洋的深海环流，影响全球热量和养分通过海洋的输送，并可能改变天气模式。
科学家们还在努力全面协调不同的冰盖模型，并将它们与冰盖模型比对项目中的更大气候模型耦合起来。目标是将冰盖和海水之间的相互作用纳入 IPCC 的第六次评估报告，该报告计划于 2022 年发布。到目前为止，该小组的模型和报告尚未包含全球气候系统的这一方面。
这表明，对冰架下和冰盖边缘事件的科学理解正开始走向成熟。但还有很长的路要走。“我们迫切需要更多的观测来约束模型，以及更多的模型来测试所有这些新过程，”领导这项分析的惠灵顿维多利亚大学的冰川学家尼古拉斯·戈莱奇说。“我们试图建模的系统的几乎每个要素都存在巨大的未知数。”
H.-O. 波特纳等人。《气候变化背景下的海洋和冰冻圈政府间气候变化专门委员会特别报告》（2019 年）。
里格诺特，E. 等人。《科学》341, 266–270 (2013)。
保罗，S. 等人。《科学》348, 327–331 (2015)。
戈莱奇，N. R. 等人。《自然》566, 65–72 (2019)。