南極洲下有巨大的地幔柱,這解釋為何冰蓋是如此不穩定

2021-01-21 博科園

【博科園-科學科普】在南極冰蓋下有一個大陸被河流和湖泊所覆蓋，其中最大的是伊利湖的大小。在常規的一年裡冰蓋融化並重新凍結，導致湖泊和河流周期性地從融水中迅速地填滿和流失。這一過程使得南極洲的冰凍表面更容易滑行，在一些地方上升和下降多達6米(20英尺)。

在南極冰蓋下流動的水的概念圖。藍點表示湖泊，線條顯示河流。瑪麗·伯德(Marie Byrd)的土地是通往南極半島(左)中心的凸起的「肘」的一部分。圖片版權：NSF/Zina Deretsky

根據美國宇航局噴氣推進實驗室的研究人員的一項最新研究表明，在被稱為「瑪麗·伯德」的區域下面可能有地幔柱。這種地熱熱源的存在可以解釋在被單下發生的一些融化，以及為什麼它今天不穩定。它還可以幫助解釋在過去的氣候變化時期是如何迅速坍塌的。

這項名為「南極南極地幔柱對冰層基礎條件的影響」的研究最近發表在《地球物理研究雜誌：固體地球》上。該研究小組由噴氣推進實驗室的Helene Seroussi領導，來自華盛頓大學地球和行星科學系的研究人員，以及德國亥姆霍茲極地和海洋研究中心的阿爾弗雷德·韋格納研究所。

2014年10月29日美國國家航空航天局(NASA)的「冰橋研究」(IceBridge)研究航班上的冰川。圖片版權：NASA/Michael Studinger

隨著時間的推移，南極洲冰蓋的運動一直是地球科學家感興趣的一個來源。通過測量冰蓋上升和下降的速度，科學家們能夠估算出在該基地的何處和多少水正在融化。正是由於這些測量，科學家們首先開始推測南極冰凍表面下的熱源的存在。

在瑪麗·伯德(Marie Byrd)的土地上存在地幔柱的提議是30年前由科羅拉多丹佛大學(University of Colorado Denver)的科學家韋斯利·勒馬蘇利(Wesley e . LeMasurier)提出的。根據他所做的研究，這是對區域火山活動和地形穹頂特徵的可能解釋。但直到最近，地震成像調查才提供了支持地幔柱的證據。

然而，目前還不可能對瑪麗·伯德土地下的地區進行直接測量。因此JPL的Seroussi和Erik Ivins依賴於冰原系統模型(ISSM)來證實羽流的存在。這一模型實質上是由噴氣推進實驗室的科學家和加州大學歐文分校的科學家們共同開發的冰層物理學的數值描述。

為了確保模型是真實的，Seroussi和她的團隊在多年的時間裡觀察了冰層的高度變化。這些是由美國國家航空航天局的冰、雲和陸地高程衛星(ICESat)和他們的機載「冰橋行動」進行的。多年來，這些任務一直在測量南極冰蓋，這使得他創造了非常準確的三維海拔地圖。

2014年11月2日，在南極的瑪麗·伯德土地上看到的山脈和冰川的景象。圖片版權：NASA / Michael Studinger

Seroussi還增強了ISSM，包括自然資源的加熱和熱傳輸，導致凍結、融化、液態水、摩擦和其他過程。這一組合的數據對南極洲允許的熔融速率施加了強大的限制，並允許該團隊運行數十個模擬，並測試了地幔柱的可能位置。

他們發現地幔柱引起的熱通量不會超過每平方米150毫瓦。相比之下，沒有火山活動的地區通常會經歷40到60毫瓦的壯舉，而地熱熱點——比如黃石國家公園(黃石國家公園)——的平均溫度為每平方米200毫瓦。

在他們進行的模擬中，每平方米超過150毫瓦的模擬，與太空數據相比，熔化率太高了。除了在一個地方，那是羅斯海的內陸地區，眾所周知，那裡有大量的水流。這個區域需要至少150到180毫瓦的熱流，以配合其觀測的熔體速率。

在這一地區，地震成像也顯示，加熱可能通過地幔的裂縫到達冰原。這也是與地幔柱相一致的，地幔柱被認為是在地幔中穿過地幔並在地殼中擴散的熱巖漿的窄流。這種粘稠的巖漿隨後在地殼下膨脹，使其向上凸起。

南極冰蓋在過去50年的溫度變化，以攝氏度來衡量，圖片版權：NASA/GSFC Scientific Visualization Studio

當冰位於羽流上方時，這個過程將熱量轉移到冰蓋上，從而引發了大量的融化和徑流。最後，Seroussi和她的同事提供了令人信服的證據——基於地表和地震數據的結合——在南極洲西部冰原下的表面羽流。這一地幔柱形成於大約50到1.1億年前，早在南極洲西部冰蓋出現之前。

大約11000年前，當最後一個冰河時代結束時，冰蓋經歷了一段時間的快速、持續的冰損失。隨著全球氣候模式和不斷上升的海平面開始改變，溫暖的海水被推向了冰原。Seroussi和Irvins的研究表明，地幔柱可能在今天促進這種快速的損失，就像在星系間期的最後一次發生時一樣。

了解南極洲西部冰原損失的來源是很重要的，因為它估計了冰層可能消失的速度，這實際上是預測氣候變化的影響。鑑於地球正再次經歷全球溫度變化——這一次，由於人類活動——創造準確的氣候模型是至關重要的，這將讓我們知道極地冰層將會迅速融化，海平面將會上升。

它還告訴我們對地球的歷史和氣候變化是如何聯繫在一起的，以及它們對地質演化的影響。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：NASA, Journal of Geophysical Research

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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