气候变暖改变全球冰下湖活动及其功能
冰原和冰川下的冰下湖泊影响着地球系统的多个组成部分。湖泊为微生物群落提供了可行的栖息地，这些群落可能遵循独特的进化轨迹，并可作为假定的地外生态系统的类似物。通过冰川下湖泊进行的水转移会调节基底水文和生物地球化学通量，并可能导致十年以下时间尺度的冰流变化。湖泊排水将大量的水和沉积物输送到下游。湖泊沉积物包含冰盖历史和气候变化的档案，与冰芯记录类似。在南极洲，穿过接地线进入冰架下空洞的水可改变冰与海洋的相互作用并可改变海洋环流。冰川前缘突然爆发的洪水会形成冲积平原（沙丘），对基础设施造成重大危害。
- 一份全球冰下湖清单（共773个）：675个来自南极洲（59个是新发现的），64个自格陵兰岛，6个自冰岛，2个在德文冰帽之下，26个自山谷冰川。
- 80%冰下湖是稳定的，要么是封闭系统（closed systems），要么流入和流出大致平衡；其余湖泊是活跃的，并显示出五种不同活动模式中的一种。
- 活跃的冰下湖在平均排水量和湖泊容量间呈现出准线性关系（quasi-linear relationship）；容量一定的情况下，格陵兰和冰岛湖泊比南极洲有更高排水率。
- 较大的活跃冰下湖的补给速度要快于较小的湖泊，这表明湖泊补给速度与湖泊大小有关。
- 在气候变暖导致冰面陡峭的地方，湖泊出现的可能性较小，但排水量会更大，产生的瞬时冰流扰动更有可能导致冰流净减少。
- 地表融水和降雨对湖床的输入量增加，将调节填充-排水周期，增加灾难性排水的可能性，并提供氧气、沉积物、微生物和营养物质。
（1）图1：冰下湖环境以及与冰原或冰川的水文联系。
冰下湖的范围很广，既有被困在冰体内部地形（和水势）凹陷中的稳定系统，也有小洞穴中的水体，还有更靠近冰缘、定期向下游排水的活跃湖泊。活跃湖泊通常形成于摩擦力、地热或地表融水输入增强的区域。冰川下湖泊与上覆冰层之间的机械耦合作用会导致冰面变平（尤其是在大湖泊上），冰面高程因湖泊排水（高程降低）和充填（高程升高）而发生局部变化，以及冰流因湖泊排水而发生瞬时变化。ELA，即平衡线高度。
（2）图2：全球冰下湖清单
（a）北方冰下湖泊（SGL）清单。右上方的插图显示了部分a（红框）在北方半球的位置。（b）南极冰盖下SGL的清单。较大湖泊（如PEL湖和东方湖）的范围由蓝色多边形定义。红色圆圈代表通过无线电回声探测（RES）确定的稳定湖泊，蓝色三角形代表在观测期间至少有一次排水的活跃湖泊。已进入标记为绿色的湖泊，并对其进行了干净的采样，但使用钻孔（水位）和声纳（洞穴几何形状）监测的de Tête Rousse冰川和Vostok湖除外。数据包含在补充数据中。MIC，Mürdalsjökull冰帽；VIC，Vatnajökull冰帽。
（3）图3：冰下湖活动对冰流影响的概念模型
对于一个给定的冰下湖泊排水事件，冰流响应将取决于湖泊流量是否以及在多大程度上超过现有冰下排水系统的水文能力。当流量较低且湖泊排入一条既有河道时，冰流响应可能受到限制（绿线）。超过下游水文能力（红线和蓝线）的排水将导致冰流加速。如果主河道中的水压降低，高压水从冰床的连接区域排出，这种加速可能会随后减速（蓝线）。
（4）图4：湖泊环境中的微生物氧化还原反应。
在没有阳光的情况下，冰下湖泊中的微生物系统从化学合成中获得初级生产。富含溶质的孔隙水从湖泊集水区输送营养物质，而沉积物离子在沉积物-水界面向上扩散。在沉积物中，氧化还原转变受氧气可用性的影响，并随着深度的增加而渗透，微生物代谢群也相应发生变化。
三个湖泊环境实例：（a）在活跃的南极湖泊中，如Whillans冰下湖，基底冰与表面水柱相互作用，但这些湖泊通常缺乏表面连通性，这限制了氧气的再供应和冰川融化中光合作用产生的营养物质的输送。（b）冰下活跃的热液系统形成的冰岛湖泊含有化学和热分层的水柱，这是由含氧冰川冰的融化和硫化物地热流体的通量造成的。在化跃层，硫氧化微生物占主导地位。（c）在一个活跃的格陵兰湖，从表面融水通过冰川瓯穴（冰川锅穴，冰臼）补给可以提供大量的冰上物质，包括影响氧化还原梯度的光合作用产生的有机质。Sx，硫化合物。
（5）图5：气候变暖对冰下湖未来分布、几何形状和活动的影响。
气候变化的影响是通过时空替代评估的，利用现代冰块下冰下湖泊行为的空间变化。描述了现代冰体水文系统的概念模型。
（a）南极洲主要是非常大的，稳定的湖泊靠近冰分水岭，而排水缓慢（几个月到几年）的活跃湖泊往往出现在靠近冰缘的冰流下面。
（b）格陵兰岛在近乎冰冻的内陆基本上没有湖泊。稳定的湖泊通常位于平衡线高度（ELA）以上，而由地表水补给的活跃湖泊位于ELA或以下，并且与南极洲的湖泊相比具有更高的排放率（在几天到几周内排水）。在冰岛冰下湖泊中也发现了类似的排放率，湖泊的形成和活动受到冰下火山活动的影响，偶尔会因湖泊快速回填而发生大面积洪水。
（c）山谷冰川与小型湖泊相关，这些湖泊可以快速排水（<1 小时至数天），其填充-排水速率受表面融化和降雨输入的调节。
空间方面有很大的差距（例如，南极洲比格陵兰岛大得多，格陵兰岛比冰岛的冰帽大得多），而且人们对湖泊体积，分布和活动的变化如何表现为冰块收缩知之甚少。随着气候变暖和冰盖的退缩和变薄，地表坡度会因冰架的丧失和地面线的退缩而变陡，地表融化会加剧和扩大，预测在格陵兰岛和南极西部冰盖下，冰下湖大小及其相对覆盖面积将普遍减少（尽管受到湖床粗糙度和热通量等因素的影响），但这些湖泊将变得更加活跃。在较小的冰块（如山谷冰川）下，湖泊丰度的变化将受到当地因素的强烈控制。变暖可能会增加地表耦合的可能性（例如，融化和降雨输入），导致持续时间更短的总流量更高，以及更频繁的大面积片状洪水。冰覆盖层压力的减少也可能刺激火山活动，导致基底融化和湖泊形成。EAIS，东南极冰盖；WAIS，西南极冰盖。
（6）图6：识别冰下湖和调查其动态的方法。
（a）用于查明冰下湖、探测其环境和监测其动态的各种地球物理技术和卫星示意图。（b）南极洲活跃冰下湖测高覆盖范围的比较。2003年9-11月冰、云和陆地高程卫星（ICESat）全球南极和格陵兰冰盖测高（GLA 12）三个月的冰面高程测量，CryoSat-2合成孔径雷达干涉测量（SARIn）模式2019年10-12月，2019年10-11月的ICESat-2陆地冰高（ATL 06）数据覆盖范围，以及2019年5月在南极洲西部的Conway冰下湖和Mercer冰下湖上方的ICESat-2 ATL 06衍生的冰面高度异常。左图中的插图显示了南极洲其他三幅图中所示区域的位置（红方块）。ApRES，自主相敏无线电回波探测；DSM，数字表面模型； RES，无线电回波探测。
参考文献：
发表于 2024-6-9 08:44
