南极探索:冰下湖与血瀑布如何形成及其中奥秘

科技日报 2017/5/5

一条宛如鲜血般红色的瀑布经泰勒冰川流入麦克默多干河谷——这是南极的一道奇特景观“血瀑布”。发现这条瀑布的澳大利亚地质学家认为瀑布只是被红藻染红。但后来研究人员发现,水之所以呈红色是因为其中的铁元素和氧气反应生成了氧化铁。而据外媒4月26日报道,科学家现在又发现这种富含铁元素的水来自于一个冰下盐湖。

最近,困扰科学家近一个世纪的南极“血瀑布”谜团终于被解开。来自美国的科学家发现,血瀑布的源头是一个距今100万年前形成的冰下盐湖。尽管被埋藏在冰川下百万年之久,但湖水没有冻结,血瀑布也不会枯竭。

血瀑布听起来有点恐怖,但实际上它是南极的一道奇特的景观——一条瀑布像是撕裂的伤口,水如鲜血一般殷红。

血瀑布为什么会“血流成河”?南极的冰下为何还有不结冰的湖水?除了让血瀑布成为难解之谜外,南极冰下的水世界还藏着哪些秘密?

瀑布“血水”来自冰下湖?

在冰天雪地的南极洲,存在着一处罕见的自然景观,那就是澳大利亚地质学家于1911年偶然发现的血瀑布,这条宛如鲜血般的红色瀑布经泰勒冰川流入麦克默多干河谷,因为流淌出的红色液体好似血液,因此得名血瀑布。

倾泻着红色之水的血瀑布与白色的冰川形成鲜明对比,一直令探险者感到困惑不已。对于血瀑布的形成原因,有过很多推测。

起初,因为瀑布的水呈现出铁锈一样的颜色,它被认为是由于某些藻类生长所致。但在2003年,该理论被推翻,研究人员称出现血瀑布的原因是瀑布的水里富含铁元素。当水中的铁元素接触到空气之后,和氧充分反应变成氧化铁,因此水就变成了血红色。但又一个问题接踵而来,这种富含铁元素的盐水源自哪里呢?

为了确认盐水的位置,美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校和科罗拉多学院的研究人员使用温度探针在-19℃的冰川下寻找-5℃的卤水。

最新研究成果显示,血瀑布的源头是一个形成于100万年前、如今被掩藏在冰川下的大湖。利用回声定位技术,研究人员可以探测到血瀑布所在的泰勒冰川下的水流运动。这说明尽管被埋藏在冰川下万年之久,但湖水却没有冻结。

冰下湖水缘何没有冻结?

在很多人的印象中,南极大陆常年被厚厚的白色“被子”——冰盖覆盖,为什么冰盖下居然会出现没有冻结的湖水呢?

中国极地研究中心副主任孙波指出,科学界目前认为冰下湖有5种形成原因。第一种是远古时期存在的水体——可能是内陆湖也可能是跟海水相连的水体,随着冰盖的发育,将水体封存起来,形成冰下湖。第二种是冰盖底部基岩地热活动异常,温度过高的基岩地热将冰盖底部融化,形成冰下湖。这也是形成冰下湖的一个重要原因,很多冰下湖的成因皆缘于此。第三种是当冰体的厚度超过3000米,并配合冰下基岩地热活动和冰流过程,冰盖底部达到了压力融点,就会融化产生水体,形成冰下湖。第四种原因比较特殊,是冰下有活火山。活火山造成部分冰体融化成水体,形成冰下湖。但这种成因的冰下湖只存在于西南极,东南极并不存在。第五种是冰盖底部存在热岩,热岩可以持续释放热量,因此产生水体形成冰下湖。“虽然每个冰下湖的温度可能不尽相同,但不管是这5种原因中的哪种原因形成的冰下湖,其水体温度都在压力融点之上,因此不会结冰。”孙波说。

其实南极不只有这一个形成血瀑布的冰下湖,上世纪末,俄罗斯和英国科学家在俄罗斯东方站附近的冰下,发现了地球上最大的冰下湖——东方湖,这也是在南极发现的第一个冰下湖,面积达14000平方千米,被封存在冰盖之下约4000米处,与世隔绝至少1500万年。此后,科研人员借助冰雷达、物探手段,又发现了近几百个冰下湖。

冰下湖蕴藏生命起源线索?

事实上冰下湖远不止造就了血瀑布这么简单,在这个位于冰下约400米的高盐分湖泊的恶劣环境中,仍然有细菌生存。这些顽强的生命依靠硫和铁的化合物生活。研究人员称,自从冰川将这座湖泊掩盖,创造了如此寒冷、黑暗、无氧的生态环境时起,这种细菌菌落就被与世隔绝了约150万余年。科学家认为,在如此恶劣的环境中仍有生命存活,也让人们有理由相信太阳系存在

类似外星生命的可能,比如在火星和木卫二极地的冰盖之下或许也存在类似的细菌。

除了这个盐湖中有细菌生存之外,在其他的冰下湖,例如东方湖中还可能暗藏着生命起源的线索。在对提取自东方湖冰盖底部的冰样进行研究后,美国生态学家普利斯库指出,湖中有可能生活着微生物。更重要的是,科学家还估计,浑然天成的环境可能使这个冰下湖在千百万年中未曾发生变化,这意味着其中可能蕴育着独立进化的微生物。北京师范大学冰川学专家効存德说:“由于幽暗(无光)、低氧和低营养环境,冰下湖泊中的微生物想必是一种原始生命形态,可能对生命起源有重要线索,所以生命科学家都表现出强烈兴趣。”

孙波表示,冰下湖还与海平面的变化存在联系,动态冰下湖的水会影响冰盖的稳定性,以致影响全球海平面变化。此外,冰下湖的湖水属于低温水,且大部分是低温淡水,一旦大量低温冷水排放到大洋,还将会影响全球海洋的温盐环流。

冰下湖为啥那么难看“透”?

因为研究非常少,加上未知领域很多,冰下湖们正成为地球最后的秘密之一。

効存德不无遗憾地说,目前国内外对于冰下湖的研究都不多,究其原因还是研究太难,所有的关于冰下湖的猜测主要还是借助间接方式——如冰雷达形成的。冰雷达或称无线电回波探测,是冰川学家调查南极冰盖冰下特征的主要方法。在过去几十年里,冰雷达被广泛用于测量冰盖厚度、内部构造和冰下地貌,这些参数是计算冰盖体积和物质平衡、重建过去冰雪积累和消融率以及冰盖动力和沉积过程的基础。

“大面积的冰下湖探测是通过机载冰雷达实现的,做出来的底床图叫bedmap,科研人员通过拼图,就能把水下的山、湖绘出来。”効存德说,由于人类无法直接观测到冰下湖,甚至缺少合适的方法做到观测与无污染采样,目前对于冰下湖及其生命形态的认知还不够。“冰下系统的过程、分布、与外界(海洋)的联系都不清楚。”但正是这样也更增加了冰下湖的科学魅力。(记者 陈瑜)

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