冰下湖

冰下湖（英语：Subglacial lake）是位于冰川下的湖泊，通常位于冰帽或冰盖下方。由于高压环境下冰的熔点降低^[1][2]，上面的冰以每年数毫米的速度逐渐融化^[3]。融水流向低水压区域并形成液态水体，可与外界分隔数百万年^[1][4]。

沃斯托克湖的卫星图像（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

自从南极冰盖下的冰下湖被首次发现以来，南极洲、格陵兰的冰盖下方和冰岛瓦特纳冰原下有400多个冰下湖被发现^[5][6][7]。冰下湖占了地球淡水的一部分，仅南极冰下湖的体积就约有10,000平方公里，约占地球上液态淡水的15%^[8]。

冰下湖的生态系统与地球大气层隔绝，含有活跃的嗜极微生物群落，能够适应寒冷和低营养的条件，并促进不受太阳能量输入的生物地球化学循环^[9]。冰下湖及其生物在天体生物学和寻找外星生命领域相当重要^[10][11]。

物理特性

由于地热平衡了冰表面的热量损失，所以冰下湖中的水能保持液态。上覆冰川的压力导致水的熔点低于0°C。冰下湖的上限将位于水的压力熔点与温度梯度相交的水平处。因此在南极最大的冰下湖沃斯托克湖中，其湖上的冰比周围的冰盖厚得多。含高盐的冰下湖，也因其含盐量高，而保持液态^[12]。

并非所有常年被冰覆盖的湖泊都可以称为冰下湖，因为有些湖泊是被普通湖冰覆盖，例如麦克默多干谷的邦尼湖和霍尔湖。

历史

俄罗斯科学家彼得·克鲁泡特金于19世纪末首次提出南极冰盖下可能存在液态淡水，他认为冰盖底部的地热能让温度达到冰的熔点^[2][13]。俄罗斯冰川学家伊戈尔·A·佐蒂科夫进一步提出了冰盖下淡水的概念^[5]。截至2019年，南极洲有超过400个冰下湖被发现^[7]，不排除未来还有更多^[5]。格陵兰^[6]、冰岛和加拿大北部也发现了冰下湖^[14]。

俄罗斯科学家彼得·克鲁泡特金首次提出冰下湖的概念

早期探索

为了对南极冰盖进行广泛的调查，俄罗斯地理学家兼探险家安德烈·彼得罗维奇·卡皮察在1959年和1964年四次苏联南极远征中，两次使用地震探测技术绘制了南极洲沃斯托克站下方地层。他收集的数据在30年后被使用，最终发现了位于冰层下的沃斯托克湖^[15]。

从1950年代末开始，英国物理学家史丹‧埃文斯（Stan Evans）和戈登‧罗宾（Gordon Robin）开始使用无线电回波探测（英语：radio-echo sounding，RES）的技术来绘制冰厚度图表^[16]。17个冰下湖泊使用此技术被记录^[17]。格陵兰岛第一个冰下湖也被无线电回波探测发现^[1]。

卫星探勘

1990年代初，来自欧洲遥感卫星ERS-1的雷达高度计资料提供了南极洲至南纬82度的详细地图^[18]，进一步确定了南极冰下湖泊的地理分布。2005年，劳伦斯·格雷（Laurence Gray）和冰川学家团队开始根据雷达卫星数据解读冰层表面的活动，表明冰下可能存在水文活跃的冰下湖^[19]。

静压密封

冰下湖中的水位可能远高于地面。理论上，冰下湖甚至可以存在于山顶，只要其上的冰足够薄以形成所需的静水密封。浮动水位可以被认为是穿过冰进入湖中的钻孔中的水位。它相当于在正常冰架上一块冰漂浮的高度。当湖周围的冰层太厚以至于等位面下降到不透水的地面时，就会形成静水密封。然后，冰缘下方的水被静压密封压回湖中。据估计，沃斯托克湖的冰缘只有7米，而浮面则高出湖面约3公里^[20]。

冰岛的冰下湖泊是一个已知危害，因为火山活动可以产生足够的融水来淹没冰坝和湖封，并导致冰川溃决洪水^[20]。