當我們的 P-3 飛行研究實驗室掠過威德爾海冰面時，我緊緊地趴在地板上。 我平躺著，透過飛機底部的艙門向外看，海豹、企鵝和冰山在視野中忽隱忽現。 從 500 英尺高空俯瞰，除巨型冰架外，一切都顯得很小——它們似乎是無邊無際的冰層，厚度相當於幾個足球場的長度，漂浮在南大洋中，環繞著幾乎覆蓋整個南極大陸的冰蓋。 在 20 世紀 80 年代中期，我們所有的飛行都是勘測飛行：一旦離開我們在智利南部的基地，我們就有 12 個小時的飛行時間，因此我們有足夠的時間與飛行員聊天，討論在冰架上迫降的可能性。 這絕不是閒聊。 我們不止一次損失了四個發動機中的一個，1987 年，沿著南極半島附近的拉森 B 冰架邊緣出現了一條持續可見的巨大裂縫——這清楚地表明，緊急迫降絕不會是輕柔的著陸。
這條裂縫也讓我們感到疑惑：這些巨大冰塊下方的海洋是否正在變暖到足以使它們破裂的程度，即使它們已經穩定了一萬多年？
將近十年後，我在科羅拉多州博爾德市國家冰雪資料中心的同事特德·斯坎博斯開始注意到，我從 P-3 上看到的同一冰架的天氣衛星影像發生了變化。 單調的白色冰面上開始出現黑點，像雀斑一樣。 隨後的彩色影像顯示，這些黑點是明亮的深藍色區域。 全球氣候變化使南極半島的升溫速度超過地球上任何其他地方，拉森 B 冰面的部分割槽域正在變成藍色的融水池塘。 已故冰川學家戈登·德·Q·羅賓和西北大學冰川學家約翰內斯·韋特曼在幾十年前就曾提出，地表水可能會使冰架裂開。 斯坎博斯意識到，積水可能會起到同樣的作用，鑿穿冰架到達下方的海水，從而使整個冰架破裂。 然而，什麼也沒發生。
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也就是說，在 2001-2002 年南極洲夏季初期之前，什麼也沒發生。 2001 年 11 月，斯坎博斯收到了一條來自佩德羅·斯夸爾卡的資訊，他至今記憶猶新。斯夸爾卡是阿根廷南極研究所的一位冰川學家，當時他正試圖在拉森 B 冰架上進行實地考察。 到處都是水。 深裂縫正在形成。 斯夸爾卡發現他根本無法工作，也無法移動。 然後，在 2002 年 2 月下旬，池塘開始消失，排水——水確實正在鑿穿冰架。 到 3 月中旬，引人注目的衛星影像顯示，拉森 B 冰架大約 1300 平方英里的區域已經破碎，這塊冰架比羅德島州還大。 除了一支由曼哈頓大小到微波爐大小不等的冰塊組成的艦隊外，什麼也沒剩下。 我們這個已經穩定了數千年的緊急迫降地點消失了。 3 月 20 日，斯坎博斯拍攝的冰架崩塌的引人注目的衛星影像登上了《紐約時報》的頭版頭條。
突然間，全球變暖可能導致冰冷極地世界發生快速變化的可能性變得真實起來。 彷彿是為了強調這種可能性，第二年 8 月，地球另一側的海冰範圍達到了歷史最低點，格陵蘭冰蓋表面的夏季融化量也超過了以往的任何觀測值。 格陵蘭的融水也湧入冰層裂縫和被稱為冰臼的開口洞穴中——然後，大概是湧入了冰蓋底部，將夏季的熱量帶了下去。 在那裡，融水可能與泥漿混合，而不是像拉森 B 冰架崩解時那樣與海水混合，形成了一種漿液，這種漿液正在平整基岩上的道路——“潤滑”冰和岩石之間的邊界。 但無論透過何種機制，巨大的格陵蘭冰蓋都在加速越過其岩石錨地，向大海方向移動。
最近，作為正在進行的國際極地年 (IPY) 調查的一部分，我的同事和我一直在追蹤南極洲巨大冰蓋底部的“管道”系統的輪廓。 雖然南極洲冰蓋滑行的潤滑液態水很可能並非來自地表，但它具有相同的潤滑效果。 而且，那裡的部分冰蓋也正在以加速滑移和破裂來做出反應。
為什麼這些過程如此令人擔憂，又如此至關重要，需要我們去理解呢？ 世界人口的三分之一居住在海平面以上約 300 英尺的範圍內，地球上大多數最大的城市都位於海洋附近。 每當有 150 立方英里的冰從陸地轉移到海洋時，全球海平面就會上升約十六分之一英寸。 這聽起來似乎不多，但請考慮一下現在鎖在地球三大冰蓋中的冰量。 如果南極洲西部冰蓋消失，海平面將上升近 19 英尺； 格陵蘭冰蓋中的冰可能會在此基礎上再增加 24 英尺； 而南極洲東部冰蓋可能會使世界海洋的海平面再增加 170 英尺：總共超過 213 英尺。 （相比之下，從底座頂部到火炬頂部的自由女神像大約高 150 英尺。）液態水在冰蓋的內部運動和向海流動中起著至關重要且直到最近才被充分認識到的作用。 確定液態水是如何形成的、它出現在哪裡以及氣候變化如何加劇其對世界極地冰層的影響，對於預測和準備全球變暖對海平面造成的影響至關重要。
冰層中的隆隆聲
冰川學家們早就意識到冰蓋會發生變化； 研究人員只是假設這些變化是漸進的，是可以透過碳 14 年代測定推斷出來的那種——而不是像拉森 B 冰架崩解那樣，可以在普通日曆上標記出來的那種。 在理想化的觀點中，冰蓋在其中心積累雪——主要來自蒸發的海水——並透過融化和崩解冰山，在其外圍向海洋排放大致相等的質量。 例如，在南極洲，大約 90% 流入海洋的冰是由冰流攜帶的，冰流是巨大的冰傳送帶，厚度與周圍冰蓋相同（介於 3500 到 6500 英尺之間），寬度為 60 英里，從海洋“上游”延伸超過 500 英里。 冰流在冰蓋中移動時，會在其兩側留下裂縫，因為冰流會向前猛衝。 在冰蓋靠近海洋的邊緣，冰流通常以每年 650 到 3500 英尺的速度移動； 而周圍的冰蓋幾乎不動。
但長期冰平衡是一種理想化的狀態； 真正的冰蓋並不是我們星球上的永久固定物。 例如，冰芯研究表明，格陵蘭冰蓋在遙遠的過去比今天小，尤其是在最近的間冰期，即 12 萬年前，當時全球氣溫溫暖。 2007 年，哥本哈根大學的埃斯克·威勒斯列夫帶領一個國際團隊，在冰蓋底部的 DNA 中尋找古代生態系統的證據。 他的團隊的發現揭示了格陵蘭島在 40 萬年前還被針葉樹覆蓋，並且生活著甲蟲和蝴蝶等無脊椎動物。 簡而言之，當全球氣溫變暖時，格陵蘭冰蓋就會縮小。
如今，格陵蘭冰蓋頂部的降雪量實際上正在增加，據推測是由於氣候模式的變化。 然而，其邊緣的質量損失已經足夠大，足以將天平傾斜到淨減少的一側。 冰蓋邊緣的海拔正在迅速下降，衛星對重力微小變化的測量也證實，冰蓋邊緣正在損失質量。 速度測量表明，主要的出口冰川——以山脈為界的冰流——正在迅速加速向海移動，尤其是在南部地區。 沿著冰蓋的出口冰川，冰川地震的隆隆聲變得越來越頻繁。
與格陵蘭冰蓋一樣，南極洲西部冰蓋也在損失質量。 而且，與格陵蘭冰蓋一樣，它在最近的地質時期已經消失——並且，據推測，可能會再次消失。 北伊利諾伊大學的裡德·P·舍雷爾在南極洲西部冰蓋的一個鑽孔底部發現了海洋微體化石，這些化石僅在開放的海洋條件下形成。 這些化石的年齡表明，開放水域生物可能早在 40 萬年前就曾在那裡生活過。 它們的存在意味著南極洲西部冰蓋一定在那段時間消失過。
只有南極洲東部的冰蓋在過去 3000 萬年裡地球的氣溫波動中持續存在。 這使其成為迄今為止最古老、最穩定的冰蓋。 它也是最大的冰蓋。 在許多地方，它的冰層厚度超過兩英里，其體積大約是格陵蘭冰蓋的 10 倍。 它最初形成於大約 3500 萬年前南極洲與南美洲分離時，當時全球二氧化碳水平下降。 南極洲東部冰蓋的內部似乎正在略微增長，但觀察員已經探測到其邊緣的一些區域性冰量損失。
加速損失
哪些過程可能導致今天在格陵蘭島和南極洲西部冰蓋中觀察到的淨質量損失？ 正如人們可能預料的那樣，這兩個冰蓋的損失最終都源於冰流和出口冰川加速，這些冰流和出口冰川將質量輸送到海洋。 當然，額外的冰量排開的額外水體積是導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對海平面沒有淨影響。 原因在於，漂浮冰排開的水體積等於其自身的重量； 當它融化時，其重量不會改變，但其新的、較小的體積現在正好可以容納在它作為冰時排開的相同體積中。）
在過去的五年裡，研究人員對可能引發加速流動的過程有了兩個重要的新認識。 首先，當冰流的底部遇到泥漿、融水甚至間歇性潤滑其路徑的深湖時，冰流可能會突然加速。 其次，如果遠洋冰架（漂浮在南極洲周圍的南大洋中）或冰舌（與單個出口冰川相連的長而窄的冰架，在格陵蘭島的峽灣中很常見）崩解，它們的巨大質量將不再阻礙冰流的流動。 例如，在拉森 B 冰架於 2002 年解體後，為其供冰的冰川顯著加速。 因此，被“拔掉塞子”的陸基冰流和冰川，以前受到遏制，現在可能會加速它們向海的遷移，最終增加海洋的總水量。
冰川學家長期以來已經認識到加速冰蓋流動的第三種觸發因素，這種觸發因素與第二種因素密切相關。 正如冰川在拉森 B 冰架解體時加速一樣，如果溫暖的洋流使冰蓋流入的冰架變薄，冰蓋也會加速。 在南極洲西部阿蒙森海區域，冰蓋表面每年下降多達五英尺，冰蓋加速了 10%，這顯然都是對冰架變薄的反應。
“潤滑滑軌”
拉森 B 冰架的崩解以及格陵蘭島地表水突然排水與冰蓋加速流動之間同樣令人震驚的關聯，促使我和我的許多同事將研究重點放在冰蓋內液態水的作用上。 我們發現，液態水幫助了向海冰運動跟上內部降雪的速度，在某些情況下，維持了冰蓋數百萬年的動態平衡。 例如，在南極洲西部冰流中，由於移動的冰和下伏岩石之間的摩擦產生的熱量，潤滑水從冰蓋底部的冰中融化出來。 在南極洲東部，水在冰蓋底部融化的主要原因是來自下伏大陸地殼的熱量。 南極洲東部的冰層非常厚，可以充當隔熱毯，捕獲地熱。 所有這些冰下水都為冰的運動引入了巨大的不穩定潛力。 諸如拉森 B 冰架崩解之類的事件比冰川學家以往認為的更有可能加速上游冰的流速。
冰蓋底部可能會首先融化的想法最早出現在 1955 年，當時戈登·羅賓提出，如果覆蓋冰蓋足夠厚，可以將其底部與寒冷的地表隔絕，地熱可能會導致大範圍的冰下水。 但他的建議直到 20 世紀 70 年代才得到證實，而且是以一種令人震驚的方式證實的。 到那時，穿透冰層的雷達已經發展到可以“看穿”冰蓋到達下伏表面的程度。 羅賓組織了一支由美國、英國和丹麥組成的團隊，從在南極洲大陸上空來回飛行的飛機上收集此類雷達資料。 大多數時候，機載示波器上的雷達回波訊號是不規則的，正如人們預期的那樣，訊號是從被厚冰覆蓋的丘陵和山谷反射回來的。 然而，在某些地方，它看起來好像有人在示波器上畫了一條直線。 雷達能量是被更像鏡子的表面反射回來的。 羅賓的職業生涯是從水手開始的，他得出結論，鏡面般的表面一定是冰蓋下方的水。 雷達資料顯示，一些冰下“鏡子”持續了近 20 英里，但羅賓對它們的真實規模或深度一無所知。
羅賓不得不再次等待近二十年才能獲得新技術。 在 20 世紀 90 年代，歐洲航天局完成了首次冰面綜合測繪。 看著影像，人們立刻被冰蓋中心的一個平坦區域所吸引。 在水面之上約兩英里的地方，俄羅斯南極基地東方站面向著冰面，勾勒出了湖泊的平坦輪廓。 沃斯托克湖的面積現在變得顯而易見； 它和安大略湖一樣大。
冰下管道系統
冰下湖泊的發現從根本上改變了研究人員對冰下水的看法。 它不是罕見的，而是豐富且分佈廣泛的。 迄今為止，已在南極洲發現了 160 多個冰下湖泊。 它們的總體積接近地球上其他地方所有地表湖泊水量的 30%。 我在 2001 年對南極洲東部沃斯托克湖的研究揭示了一個相當穩定的系統。 在過去的 5 萬年裡，湖水透過融化和凍結與上覆冰蓋緩慢交換。 當然，在更遙遠的過去，情況可能並非如此平靜：地質證據表明，冰下湖泊可能會突然排水，一次性噴出，釋放出大量的水到冰蓋下或直接流入海洋。 環繞整個南極洲大陸的是深達 800 多英尺的巨大山谷（足以吞沒紐約市的伍爾沃斯大廈）：這是巨型洪水的傷疤。
但沃斯托克湖和其他冰下湖泊被認為是天然博物館，在數百萬年前與世界其他地方隔絕了。 1997 年，第一個暗示這種冰下洪水仍然發生的跡象來自南極洲西部。 冰蓋表面在三週內下沉了 20 多英寸。 唯一合理的解釋是，水正在從冰下湖泊中排出，導致上覆冰層下沉。 由倫敦大學學院的鄧肯·J·溫厄姆領導的一個小組還測量了當年南極洲東部大部分地區的冰面海拔。 在一個區域，冰蓋在 16 個月內下沉了約 10 英尺，而在 180 英里下坡處的兩個區域，冰蓋上升了約 3 英尺。 同樣，解釋也很明顯：一條冰下河流排空了一個湖泊的水，並填滿了下游的兩個湖泊。
一年多前，加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯海洋研究所的海倫·A·弗裡克正在研究 ICESat 航天器對冰面海拔進行的精確測量。 就在弗裡克準備與家人一起度過陣亡將士紀念日週末航行之前，其中一個冰蓋剖面發生了劇烈偏離。 南極洲西部最大的冰流之一邊緣的一個區域發生了塌陷——在 24 個月內下降了近 30 英尺。 從週末回來後，弗裡克檢查了她新發現的恩格爾哈特湖周圍的冰面——並很快意識到它只是級聯冰下湖泊系列中的一個。 大量水透過主要冰流下方的管道系統排出，已被證明是冰流流動速度快速變化的又一個因素。
湖泊效應
大約在同一時間，我懷疑冰下湖泊可能會影響冰蓋的穩定性，我意識到新的衛星影像可以很容易地發現此類湖泊。 此外，冰蓋模型預測，可能還有一組大型湖泊尚未被發現。 我對有機會找到它們很感興趣。 因此，藉助新的影像和 ICESat 雷射資料，我的同事和我發現了四個新的冰下湖泊，其中三個比除沃斯托克湖以外的所有其他湖泊都大。
然而，與冰下河流和塌陷的湖泊相比，“我的”四個新湖泊簡直是乏味的。 我所在領域所有令人興奮的新成果都集中在快速變化的極地冰層以及冰蓋升高海平面的潛力上。 然而，這些湖泊一直困擾著我。 它們遠離冰蓋中心，而大多數大型湖泊都出現在那裡。 沿著一個湖泊的邊緣形成了冰隙和裂縫； 我可以在衛星影像中看到冰隙帶。
正如我之前提到的，當冰流在冰蓋內快速向前移動時，就會形成冰隙。 看著影像，我可以看到冰蓋中的流線，這些流線將冰隙區域連線到一條快速流動的冰流，稱為恢復冰流。 衛星干涉測量顯示，恢復冰流在湖泊處開始加速。 在冰蓋穿過湖泊之前，其速度不超過每年約 10 英尺。 在湖泊的另一側，冰蓋加速到每年 65 到 100 英尺之間。 因此，湖泊似乎正在觸發冰蓋內的冰流流動。 這一發現是首次將冰下湖泊與加速的地表流動直接聯絡起來。
我的同事和我仍然不確定這種聯絡究竟為何會發生。 也許湖泊正在緩慢地從盆地中洩漏出來，從而為冰蓋底部提供水以進行潤滑。 或者湖水可能會在冰蓋穿過湖泊時溫暖冰蓋底部，從而使冰蓋更容易在湖泊的另一側加速。
國際極地年
在過去的兩年裡，人們對冰蓋中的水和冰下湖泊的理解發生了巨大的變化。 但這種理解絕非完整。 國際極地年的主要目標之一是評估極地冰蓋的狀況，並確定它們在不久的將來的變化情況。 政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 最近的報告強調，在預測全球變暖的影響時，最大的疑問是極地冰蓋未來的不確定性。 迄今為止使用的氣候模型都沒有考慮冰流等主要特徵，也沒有任何模型納入冰蓋底部的準確表示。
僅憑這些原因，通過當前氣候模型預測未來的海平面變化，大大低估了極地冰蓋對海平面上升的未來貢獻。 但透過量化冰的運動來更新模型仍然需要大量的研究工作。 簡而言之，如果冰川學家不知道冰蓋底部發生了什麼，就沒人能預測冰蓋會隨著時間推移發生怎樣的變化。 而做出此類預測的關鍵問題是：冰下水究竟在哪裡？ 它是如何流動的？ 它如何影響冰蓋的運動？
國際極地年為查明真相提供了絕佳的機會。 透過調動國際科學團隊和後勤保障，研究人員將能夠部署新一代機載雷達來繪製冰下水分佈圖。 最初為採礦業開發的新型重力測量儀器將被改造用於估算冰下湖泊中的水量。 對冰面進行精確的海拔測量將能夠監測水的運動。 新安裝的地震儀將監聽冰川地震。
在格陵蘭島，冰川學家將安裝儀器來測量冰蓋透過主要出口冰川的運動。 堪薩斯州勞倫斯市冰蓋遙感中心將部署一架無人駕駛飛行器，系統地繪製冰蓋底部的水分佈圖。 在南極洲東部，我的小組將駕駛一架雙水獺飛機（一種雙引擎、螺旋槳驅動的飛機）飛越恢復湖泊和未開發的甘布林採夫山脈，以瞭解湖泊是如何形成的以及它們是如何觸發冰流的。 與此同時，一個由美國和挪威組成的團隊，包括特德·斯坎博斯，將穿越恢復湖泊，測量冰蓋的速度及其沿頂部的溫度梯度。 一個俄羅斯團隊將尋求對沃斯托克湖進行取樣； 一個義大利團隊將研究位於南極洲東部法意站附近的康科迪亞湖； 一個英國團隊將調查南極洲西部埃爾斯沃思山脈中的一個湖泊。
所有這些努力——在對人類工作來說仍然令人生畏的條件下——反映了國際科學界的共識和緊迫性：理解不斷變化的冰蓋以及控制其活力的水對於我們社會的未來至關重要。