國際極地年——為什麼？
當我第一次聽到國際極地年（IPY）的概念時，我翻了個白眼，擺出我從十幾歲的兒子那裡學來的那種愚蠢的“這真是一個無聊的想法”的表情。一個由19世紀80年代的軍官提出的想法，在我們的超連線時代有什麼用處呢？以前的IPY的照片裡充滿了穿著派克大衣、發射氣球、在小棚子裡記錄數字以及發射炸藥的邋遢男人。我簡直無法超越IPY派克大衣的冰霜邊緣。
但是後來，一些事情改變了。那是在七月份，我坐在上海一個悶熱的會議室後面，剛剛做完關於兩英里冰層下湖泊的演講。我很想在我的第一次中國之旅中多看看上海，並認為我可能會偷偷溜走，直到我聽到一位留著大鬍子，眼睛裡閃爍著精靈般光芒的德國冰川學家海因茨·米勒，概述了一個在2007年國際極地年期間研究南極洲東部冰蓋內部的大膽概念。我像一個突然意識到微積分具有某種價值的青少年一樣，認真地聽著。我開始超越邋遢的面孔，並認識到極地地區的全球合作如何產生否則不可能獲得的非凡見解。我們瞭解冰下湖泊的唯一方法是改進極地地區國際科學的框架。IPY有潛力提供這個框架。
第一屆IPY是由科學家團體與軍隊密切合作計劃的。當前的國際極地年是一個大型的跨學科研究專案，重點關注2007年3月至2009年3月的極地地區。在現代科學時代，這個IPY幾乎是社群中湧現出的思想的有機努力的結果。與一個國際範圍界定委員會概述的結構合作，科學家們聚集在一起，新的專案蓬勃發展。這種草根努力吸引了來自30個國家的數萬名科學家。在瞭解極地地區快速變化和到達未勘探地形的緊迫性驅動下，過去的18個月見證了前所未有的國際合作水平。儀器網路已安裝在兩個極地地區，以監測這些偏遠地區的變化。過去氣候變化的新記錄已從冰蓋和沉積物中恢復。從人類學到地球物理學，變化的主題融入了科學專案中。
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從第四屆國際極地年至今的結果如何？詢問我們從IPY中學到了什麼，有點像在最後一場比賽之前問棒球運動員比賽的結果。與任何大型努力一樣，也出現了一些挫折：一顆關鍵的衛星在發射後不久墜入大海，一架直升機墜毀，造成了悲慘的生命損失，一架飛機嚴重受損。在極地地區工作仍然是一個挑戰。最令人困惑的挫折是燃料成本迅速上漲帶來的巨大影響。各個國家，無論大小，都被迫修改和推遲他們的計劃。即使是最精心計劃的考察也已被縮短或推遲。總的來說，大多數專案都已推遲，而不是取消，IPY計劃的野外專案可能需要更長的時間。
雖然大部分討論仍然是關於飛機、輪船和運輸車輛，但一些早期的結果正在出現。有些結果是科學性的。從南極冰蓋邊緣取出的沉積物表明，南極洲西部冰蓋的增長和收縮頻率比以前認為的要高得多。冰蓋下的水已被證明在冰下系統中快速移動。
一些發現與科學的結構有關。一個傑出的年輕科學家網路已經形成，新的站點已經建立，新的合作方式也已開發。未來五年將看到極地科學的蓬勃發展和新資料的解讀，延遲專案的實施以及新一代科學家積極合作以瞭解我們的星球。極地地區的變化速度比地球上任何其他地方都快。在IPY框架內獲取的資料集、新成立的年輕極地學者網路以及在IPY期間納入的新基礎設施對於在未來幾十年內增進我們對這些變化中的地區的理解至關重要。
神秘的山脈
上個月，我打開了來自米斯卡託尼克大學工程學院的榮休教授弗蘭克·H·帕博迪的一封電子郵件。乍一看，這封信似乎是合法的——它不是來自非洲，也沒有要求我的銀行賬戶。這封信透過提及我的其他工作觸動了我的虛榮心，所以我繼續讀了下去。然後，在第三段中，它開始顯得奇怪，因為這位教授聲稱在1958年之前去過南極洲東部。所以我用谷歌搜尋了帕博迪教授。哎呀！我一直在讀一封來自 H. P. 洛夫克拉夫特 1930 年科幻小說的虛構人物的信。
顯然在 2008 年，這個虛構人物有一個 G-mail 賬戶，並且這所大學有一個網站。當然，H. P. 洛夫克拉夫特是一位早期科幻小說作家，經常被比作埃德加·愛倫·坡和斯蒂芬·金，他既沒有電子郵件地址也沒有網站。在 1920 年代，洛夫克拉夫特被極地探險所吸引。伯德海軍上將在第二個極地年期間首次飛越南極洲的飛行是這本小說《瘋狂山脈》的核心。帕博迪教授負責鑽孔裝置和飛機發動機的加熱器——這對我們即將進行的考察都很有用。
雖然帕博迪聲稱他的考察隊在第二個國際極地年期間的 1920 年代發現了岡布林採夫山脈，但更準確地說是歸因於 1958 年的蘇聯南極考察隊。這次考察是第三次國際極地年的一部分，更廣泛地稱為國際地球物理年。透過發射小型炸藥並記錄回聲能量，考察隊在冰蓋中心發現了一個冰層非常薄的區域——一個完全被冰覆蓋的山脈。考察隊以蘇聯地震學家格里戈裡·岡布林採夫的名字命名了這個山脈，他以其預測地震的努力而聞名。
即使沒有洛夫克拉夫特南極山脈中居住的幽靈般的身影，岡布林採夫山脈仍然是一個謎。它們完全被冰覆蓋。沒有一個崎嶇的山峰從冰蓋中伸出來。它們很高——比周圍的地形高出約 9,000 英尺（2,700 米）。這意味著岡布林採夫山脈聳立在阿巴拉契亞山脈之上，大約與阿爾卑斯山一樣高——並且數百英里寬。如果一條維護良好的高速公路橫穿它們，則需要一天的大部分時間才能穿過它們。但是，唉，沒有高速公路。我們來自六個國家的團隊（構思了南極岡布林採夫省或 AGAP 專案，作為第四屆 IPY 的一部分）已經工作了八年，以弄清楚如何用三架配備科學裝置的小型飛機穿越這個偏遠的地形。
岡布林採夫山脈真正的謎團是它們的起源。它們在南極洲東部的存在不符合我們對南極洲地質歷史的現有理解。蘇聯人對這些山脈的識別相當於考古學家在一個金字塔內發現了一名穿著全套宇航服的宇航員。我們目前對南極洲東部地質事件順序的理解表明，大規模構造的最後證據是在 5 億多年前。從那時起，南極洲東部在地理上基本上是一個相當無聊的地方。一個有 5 億年曆史的山脈應該已經被磨損了。要麼南極洲大陸的構造歷史是錯誤的，要麼這些山脈的特殊之處使它們沒有被侵蝕成薄煎餅。
認為冰蓋保護了這些山脈很有趣，但冰蓋只有 3500 萬年的歷史——從地質角度來看，只是一眨眼的功夫。也許這些山脈比我們認為的要年輕得多，或者也許關於南極洲東部我們有一些不知道的東西。一個像夏威夷或冰島那樣產生大量熔岩的地幔柱，或者全球板塊滑動中的新事物。我們應該很快就會有一個更好的主意。
我們的裝置在麥克默多站，美國基地，位於一座大型活火山的側翼，等待著裝在大鋁箱裡。雙水獺飛機將於明天抵達，並將開始將這架堅固的小型通勤飛機變成滑雪板上的機載成像系統的過程。英國人正在等待他們的飛機到達，現在正緩慢地沿著南美洲的海岸線移動。很快我們就能開始回答有關這些神秘山脈起源的問題。雖然洛夫克拉夫特的團隊害怕外星人，但我們現在必須擔心整個大陸的天氣、裝置故障和高原反應。
尋找湖泊
當您穿過樹林走向湖泊時，首先您經常會看到鴨子、潛鳥、秋沙鴨或其他水禽全神貫注地飛向水面。很快您可能會注意到沼澤溼地。走近時，您會聽到翠鳥刺耳的嘎嘎聲，等待著從湖裡叉魚。隨著樹木變得稀疏，地平線將開啟，湖水將展現在您的面前。
走向一個冰下湖，線索要少得多。沒有樹木遮擋您的視線，只有四面八方的白色雪和藍色天空。湖泊的唯一暗示是當您同事在前方四分之一英里處行走時，突然消失在 15 英尺（4.6 米）深的護城河中。這條 2.5 英里（4 公里）寬的護城河是由於冰蓋在湖上漂浮時“下沉”的結果。在您腳下幾乎沒有其他關於湖泊的線索。兩英里（3.2 公里）的冰有效地隱藏了下面的地形，帶翅膀的水禽早已逃離了這些南極湖泊。
要理解冰下湖，需要稍遠一點的距離，以便對廣闊、看似平坦的冰面有一個全面的視角。第一個稍微拉開距離觀察的人是一位俄羅斯飛行員，他在 1950 年代負責在南極洲東部的蘇聯營地之間運送科學家和工程師。當太陽低垂時，他盯著窗外，開始注意到冰蓋中有大片的、異常平坦的區域。他將這些地點記錄在航空地圖上，希望能返回莫斯科後撰寫一篇關於這一現象的論文。不幸的是，他在一次墜機事故中喪生，冰下湖在極地社群中被降級為神話般的存在。
冰下湖似乎註定要保持隱藏狀態。早期的地震資料被誤解。記錄在火災中被毀。當團隊行駛數百英里到達湖泊邊緣時，裝置卻發生故障。一些誘人的線索暗示冰蓋下可能存在水，但直到我們從太空觀察冰蓋時，大型湖泊才變得明顯。對冰面高度的詳細測量為“看到湖泊”提供了第一個真正的機會。冰蓋上大部分冰面的表面由於流經下方的山丘和山脈而變得粗糙。正如冬季的林地湖泊會是一片延伸至地平線的水平漂浮冰面一樣，冰下湖上方的冰也會漂浮，冰面非常平坦。
這些湖泊的存在是因為厚厚的冰層起到絕緣毯的作用，捕獲了從地球內部散發出的熱量。冰蓋頂部的溫度為零下 50 華氏度（零下 45.5 攝氏度），而底部則為正的 28.4 華氏度（零下 2 攝氏度）——非常接近冰的熔點。上覆冰的壓力稍微降低了冰的熔點，但溫度升高的主要原因是自然的地熱梯度。
二十五年前，沒有人會相信地下會存在湖泊。十年前，科學家們認為這些湖泊是停滯的，彼此隔離的。今天，我們知道冰下湖透過複雜的管道系統在冰下相連，這種連通性可能使它們發生快速排水，類似於拔掉浴缸的塞子，使水從一個湖泊排入另一個湖泊。冰下湖的排水可能導致冰流的開始，加速它們向大陸邊緣的移動，在那裡它們抵住周圍的海水。
在南極洲東部，最大的冰下湖位於甘布林採夫山脈的山麓。沃斯托克湖，大小相當於安大略湖，以及其他兩個大型深湖，標誌著這個多山省份的東部邊緣。在西部邊緣，四個大型湖泊與冰蓋快速流動的開始有關。透過使用機載成像技術，我們將收集第一批資料，這些資料可能會告訴我們為什麼這些大型湖泊會出現在甘布林採夫山麓。我們正在努力瞭解冰下湖系統如何影響極地冰向全球海洋的流動。這項研究甘布林採夫山脈省的國際極地年計劃 (AGAP) 將使我們能夠收集有關這些湖泊的關鍵資訊，並幫助將它們在南極冰川管道系統中的作用聯絡起來。
探索隱藏的地形
如果將南極洲東部冰蓋放到美國本土 48 個州之上，每個城鎮都會被覆蓋。只有少數山峰會暴露出來。衛星無法穿透冰蓋看到下方。研究被厚厚冰層覆蓋的山脈和湖泊是一個挑戰。
五十年前，科學家們對南極洲冰蓋的厚度沒有很好的估計。在上一個國際極地年開始時，許多國家利用石油工業技術，派出履帶式雪地車隊橫穿南極洲。這些車隊，或者說橫跨，每行駛 50 英里（80 公里）就會停下來，鋪設敏感的記錄裝置（地震檢波器），鑽一個 150 英尺（45 米）的洞，並引爆小型炸藥。爆炸會將一團雪噴向空中，並將能量深入冰蓋。向下傳播的波會從底部的山丘和山谷反彈。返回的回聲會被地震檢波器記錄下來。每次爆炸都會產生一個冰層厚度的測量值。
儘管這些地面車輛的進展非常緩慢，但國際地球物理年的主要發現之一來自對這些爆炸的記錄。穿著厚厚派克大衣的科學家們不得不比預期等待更長的時間來記錄來自冰蓋底部的回聲。原因是：冰層比預測的要厚。在某些地方，南極洲東部冰蓋厚達 2.8 英里（4.5 公里），如果融化，足以將全球海平面升高 170 英尺（52 米）。
每行駛 50 英里就在冰蓋上行駛並引爆炸藥是一個緩慢的過程。飛行，即使是乘坐小型飛機，也要快得多。我們將使用兩架裝滿天線和儀器的飛機，從空中收集關於冰蓋的新測量資料，以及從埋在雪中的地震儀收集的資料。
飛機的機翼上安裝了八個天線，它們發射和接收 150 兆赫的脈衝以測量冰層厚度。這個雷達系統由堪薩斯州勞倫斯市的冰蓋遙感中心開發，專門用於穿透極地冰蓋進行成像。與地震方法類似，能量透過四個天線傳輸。能量從冰面和冰蓋底部反彈回來。我們每秒最終會得到數千個測量值。這與 50 年前測量冰層厚度需要兩到三天相比，有了很大的進步。
為了更好地瞭解冰面的情況，我的同事邁克爾·斯圖丁格在飛機地板下方安裝了近紅外雷射器。在充滿氮氣的容器內，雷射器對著一個旋轉的鏡子發射。當鏡子旋轉時，雷射器首先對準飛機的一側，然後對準另一側，以便雷射器測量飛機正下方以及側面的冰面。當我們準確定位飛機時，雷射器的測量距離精度可達 2 英寸（5 釐米）！在我們辦公室的走廊裡進行測試時，我們可以看到人們在房間之間來回穿梭。
除了冰層厚度資料外，我們還想了解甘布林採夫山脈的起源。要做到這一點，我們需要解碼下方地殼和岩石圈的基本結構。可能需要數年甚至數十年的時間，才能有人鑽入甘布林採夫山脈，因此我們將使用重力、磁力和地震速度來遠端探測冰下地形。地球的重力場會根據基岩的型別而變化。較強的重力場意味著岩石密度較高，而較弱的重力場意味著岩石密度較低。一個極其精確的重力計將安裝在飛機的前部。對地球磁場變化的測量將告訴我們關於下方岩石的性質。一些岩石的磁性比其他岩石強得多。我們將使用安裝在飛機機翼尖端的基於銫的感測器來測量變化的磁場。對磁場的測量將告訴我們隱藏的岩石的磁性有多強。
雷射將測量冰面。雷達將測量隱藏的地形。重力和磁力將告訴我們關於地球淺層部分的構成，通常是地殼。如果我們想看得更深，我們需要一種不同的方法。來自聖路易斯華盛頓大學的道格·溫斯領導的一個團隊將在甘布林採夫山脈頂部數百英里範圍內安裝 26 個地震儀。科學家們不是引爆炸藥，而是將地震儀放置數月，記錄遠處的地震。這些地震儀將在雪中埋藏一年；它們將在夏季由太陽能供電，在漫長的極地冬季由埋在地下的電池供電。地震儀將記錄來自世界各地的地震，以繪製山脈下方更深層的結構圖。最後，地震資料將讓我們知道來自全球地震的能量傳播的速度，以及南極大陸在數百英里深處的溫度是高還是低。
透過使用這整套地球物理技術，我們將在未來三個月內嘗試構建我們星球上最大冰蓋的第一個綜合橫截面。在現代成像領域，我們習慣於看到我們牙齒的 X 光片，我們大腦的核磁共振成像，甚至是子宮內胎兒的模糊影像。這些技術已經發展到足以讓我們不驚訝地看到安裝在我們當地購物中心旁邊的溫尼巴戈房車內的醫療成像系統。醫療技術必須穿透組織和骨骼進行成像。穿透兩英里的冰層進行成像類似，但需要不同的策略。甘布林採夫山脈探險是我們對冰蓋和山脈進行成像和了解的最佳機會。
問題的規模
當製圖師將我們的球形世界投影到平面的紙張上時，極地區域不可避免地會遭受扭曲。通常，極點會滑落到紙張的邊緣。有時，格陵蘭島會被扭曲得看起來像南美洲一樣大。南極洲經常會缺失，或被切成三角形碎片，或被描繪成一條細細的白色邊框。即使是谷歌地球也會在極地區域產生扭曲的形狀。南極洲人煙稀少，位於數學上具有挑戰性的南緯 90 度，是陌生的地形。很難解釋位於這片從頁面上滑落的大陸中的甘布林採夫山脈問題的規模。
南極洲最熟悉的部分，通常保留在世界地圖上的，是南極半島。這條狹長山脈類似於一條向北延伸到南美洲的長臂。半島是許多企鵝棲息地和科學基地的所在地，也是主要的旅遊目的地。
不太熟悉的是南極洲西部，它是位於西半球的大陸部分。從地質學上講，南極洲西部是一塊變薄的大陸地殼，類似於紅海或墨西哥灣。如果這部分大陸沒有被冰蓋覆蓋，它將是一條以島嶼為邊緣的開闊水道。南極洲東部是一塊厚厚的寒冷大陸地殼碎片，類似於加拿大東部，比美國本土 48 個州還要大。
科學基地環繞著邊緣，但只有少數基地位於遠離後勤生命線的內陸。南極點、沃斯托克和康科迪亞穹頂是該星球這一部分已建立的站點。中國人正在努力在甘布林採夫山脈頂部的 A 穹頂建造一個站點，但目前還沒有任何進展。在南極洲東部，遠離永久性科學基地和後勤樞紐的中心，甘布林採夫山脈完全被冰蓋隱藏。雖然這些山脈可與北美落基山脈和喀斯喀特山脈相媲美，但南極洲東部的衛星影像只是一片單調的白色空間。
為了研究這些隱藏的山脈，我們將從兩個營地展開工作。南營地距離美國主要科考站麥克默多站近 800 英里（1285 公里），比紐約市到芝加哥之間的距離還要遠——只是沿途沒有高速公路、休息區或加油站，只有綿延數英里的冰層。我們的北營地位於內陸 470 英里（755 公里）處，更靠近冰蓋北緣的澳大利亞和中國基地。在我們工作的地方，不會有企鵝和遊客，只有冰、科學家、工程師、飛行員、醫務人員、廚師和登山者。
幾年來，我們一直在為後勤保障而犯愁。一個由 25 名以上科學家和工程師組成的跨國團隊（配備三架飛機）如何在天氣足夠溫暖適合我們工作的時間內完成探險？“足夠溫暖”意味著溫度高於 -58 華氏度（-50 攝氏度）。經過五年的規劃，我們制定了一個策略。兩個團隊將分別在山脈的北側和南側建立營地。南營地的重型裝置和燃料將透過地面運輸來運送，該運輸將首先經過南極點。地面運輸看起來就像五輛從建築工地逃出來的車輛，拖著裝滿裝置和燃料的雪橇。北營地將由飛機從沿海科考站運送物資來補給。四次來自美國空軍噴氣式飛機的空投將為北營地輸送燃料。三個科學團隊將在 11 月份在麥克默多站準備飛機。在系統測試完畢後，團隊將前往南極點以適應高海拔環境，然後開始向南營地移動。
該專案已經啟動。澳大利亞團隊於 10 月中旬從塔斯馬尼亞的霍巴特起航。英國科學團隊上週抵達南極洲，為北營地準備飛機。在南極洲準備美國飛機的團隊於 11 月 10 日抵達。現在我們將看看我們繪製甘布林採夫山脈的策略是否能讓它們重回地圖。