南极冰间湖之谜:极寒地为何水面却常年不结冰?
2020-05-18 21:52:07       来源:观沧海


南极,一片茫茫冰天雪地。“银装素裹”虽然看上去很诗意,但“千里冰封”的环境,对于生活在南极的生物却是一个严酷的挑战。


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摄影:中国第36次南极科考队员 丁锦锋


“上帝关上一道门,就会打开另一扇窗”,南极冰间湖就是这样一扇生命之窗。南极的冬季温度极低,但冰天雪地里仍存在一些温暖的开阔水域,科学家称之为冰间湖。这些神奇的冰间湖大多分布在南极大陆边缘海域,其中位于阿蒙森海的冰间湖是我国南极科考从未涉足的处女地,中国第36次南极科考亮点之一便是首次进入这片海域,填补了我国南大洋综合观测的一项区域空白。


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摄影:中国第36次南极科考队 澎湃新闻记者何凯


冰间湖是什么?


在极寒的冬天,南极大部分地区平均温度在-25℃以下,理论上南极大陆周围海域均会结上厚厚的一层冰。但实际上,在南极大陆边缘甚至是一些远洋区,冬季仍会出现一些不结冰的开阔水域,这就是冰间湖(Polynyas)。一片“玉湖”在冰心,这冰封万里的南极之中的一片片开阔水面,是海洋动物换气和觅食的重要场所,犹如“白色荒漠“中的一片“生命绿洲”。冰间湖的面积大多介于几十到几万平方公里,每年基本上在相同位置出现,持续时间为几周到几个月,出现时间、持续时间和面积大小存在年际变化,平均而言,全球冰间湖面积总和大于十万平方公里。


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2017年10月至11月南极海冰变化图,红色圈出部分为离岸冰间湖

图片来源:https://seaice.uni-bremen.de/sea-ice-concentration/amsre-amsr2/ 动图制作:江游


这些冰间湖区域由于未被海冰覆盖,日照相对充足,因此生长着众多的浮游植物,是南极食物链的基础,如大名鼎鼎的磷虾就以此为食。另外中国第36次南极科考还发现了阿蒙森海冰间湖是侧纹南极鱼的产卵场和育幼场。而磷虾和鱼类又是海鸟、企鹅、海豹、鲸等食物链上层大型动物的主要食物,这些生物在这里构成了一条非常典型的食物链。


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南极部分食物链示意图 图片来源:M.Pinkerton, NIWA


冰间湖成因


冰间湖的形成原因可以分成两种,绝大多数冰间湖由两种机制共同作用而形成。第一种是海冰在风或海流作用下产生的(学术上称作潜热型冰间湖,Latent-heat polynyas)。南极冬天盛行下降风,强风由高海拔南极内陆吹向低海拔边缘区,因此在冰架边缘形成的浮冰会被风推到外海,从而在南极大陆边缘和外海海冰之间形成了近岸冰间湖。


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近岸冰间湖形成原理示意图


另一种是通过上升流、垂向混合和深海对流将海洋热量输送至表层,阻止海冰的凝结或加强海冰的融化而形成(学术上称作显热型冰间湖,sensible-heat polynyas)。此类冰间湖比较少见,它的形成机制研究也相对较少,主要原因在于这种冰间湖一般出现在离陆地较远的海域,又被厚厚的海冰层层包裹,一般科考船难以靠近、科考设备难以投放,因此很难获得相应的数据。


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南极威德尔海出现的巨型鲸鱼状冰间湖 图片来源:NASA


为了解决这一科学难题,美国华盛顿大学等机构的研究人员,请来了南极的“土著“——海豹,并给它们配上了专业传感器进行冰间湖探索。这些海豹会游到这些离岸冰间湖区域觅食,也顺便为科学家带回冰间湖的第一手资料。研究者发现,这两年威德尔海域冬季风暴格外强烈,打破了海水的稳定分层状态,产生与通常年份不同的对流。下层较暖海水上涌的趋势增强,到达表层冷却后密度变大,重新下沉,这个循环过程会抑制表层结冰。相关成果发表在著名国际期刊《自然》上。


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配备传感器的海豹 图片来源:网络


随着全球气候变暖,地球上最寒冷的南北极区域正发生着急速变化。作为极地海洋的窗口,冰间湖不仅承担着“生命伊甸园”的重任,也可能是极地最早发生明显变化的区域。从不同时空尺度确定冰间湖对全球变化的响应和反馈,对于南极生物以及人类的生存与发展,都具有重要意义。