最近的一項理論說明了冰川下的水可能激增的機制–形成危險的回饋循環。喬治亞理工學院的兩位研究人員亞歷克斯-羅貝爾（Alex Robel）和史-喬伊斯-辛（Shi Joyce Sim）合作建立了一個冰川下水流運動的新模型。新理論顯示，冰川下流入海洋的水量可能是先前估計的兩倍。冰川下水量的大幅增加可能會加速冰川融化，導致海平面上升，並引發生態破壞。

之前和之後： 1975 年2 月18 日（上圖）至2015 年3 月2 日（下圖）南極洲西部冰川萎縮的衛星圖像。資料來源：美國國家航空暨太空總署地球觀測站

他們的研究最近發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

雖然目前已有一些了解冰川下流動的方法，但這些技術涉及耗時的計算。相較之下，羅貝爾和西姆利用過去二十年對南極洲的衛星測量結果，開發了一個簡單方程，可以預測冰蓋下含水層地下水的滲出速度。

地球與大氣科學學院助理教授羅貝爾解釋說：”用數學術語來說，我們有了一個閉式解決方案。以前，人們會運行一個水文機械模型，該模型必須應用於南極洲下的每一個點，然後在很長一段時間內向前運行。由於研究人員的新理論是一個數學上簡單的方程，而不是一個模型，我們的整個預測可以在筆記型電腦上幾分之一秒內完成。”

亞歷克斯-羅貝爾是喬治亞理工學院地球與大氣科學學院的助理教授。資料來源：喬治亞理工學院（Allison Carter）

羅貝爾補充說，雖然有為類似模型開發此類理論的先例，但這一理論的特殊性在於，它是針對冰原下存在的特殊邊界條件和其他條件而開發的。”據我們所知，這是第一個在數學上描述冰原下滲出和滲透的簡單理論”。

“每當你能用一個非常簡單的模型來描述一個過程–然後能夠預測可能發生的情況，特別是利用我們今天所擁有的豐富數據，這真是太好了。”地球和大氣科學學院的研究科學家西姆補充說：「這太不可思議了。」看到這樣的結果非常令人驚訝」。

論文的主要論點之一強調了冰川下水的潛在巨大來源–可能是先前認為的兩倍–它可能會影響冰川冰流動的速度以及冰川底部冰融化的速度。羅貝爾和西姆希望，這個理論所帶來的預測結果能被納入科學家用來預測未來冰原變化和海平面上升的冰原模型中。

危險的回饋循環

含水層是富含地下水的多孔岩石或沉積物的地下區域。”羅貝爾參考西姆繪製的圖表解釋說：”如果你減輕含水層的重量，例如南極洲大部分地區的含水層，水就會開始從沉積物中流出。這種過程被稱為”滲出”（exfiltration），以前曾對其進行過研究，但研究的重點是冰期週期的長時間尺度，即長達數萬年的時間。

有關現代冰原的研究較少，尤其是在當今南極冰原變薄的部分下發生滲出的速度有多快的研究。不過，利用最近的衛星數據和他們的新理論，研究團隊已經能夠預測現代冰蓋下的滲出可能會是什麼樣子。

羅貝爾解釋說：”可能的預測範圍很廣。但在這一預測範圍內，地下水確實有可能以一定的速度流出含水層，使其成為冰蓋下大部分或接近大部分的水”。

Shi Joyce Sim 是喬治亞理工學院地球與大氣科學學院的研究科學家。圖片來源：喬治亞理工學院（Shi Joyce Sim）

如果這些參數是正確的，那就表示進入冰川下界面的水量是先前估計的兩倍。

冰原就像毯子，蓋在溫暖的地球上，把熱量吸附在底部，遠離南極洲寒冷的大氣層–這意味著南極冰原最溫暖的地方是在冰原的底部，而不是表面。當冰層變薄時，較溫暖的地下水更容易滲出，這種熱梯度會加速冰層的融化。

羅貝爾解釋說：「當大氣變暖時，這一信號需要數萬年的時間才能通過南極冰蓋這樣厚度的冰層擴散。但是，這種外滲過程是對冰層已經在不斷變薄的一種反應，而且是現在的一種即時反應”。

除了海平面上升，這種額外的滲出和融化還有其他影響。世界上一些海洋生產力最豐富的地方都位於南極洲沿岸，能夠更好地預測滲出和融化可以幫助海洋生物學家更好地了解海洋生產力的發生地，以及未來可能發生的變化。

羅貝爾也希望這項工作能開啟與地下水水文學家更多合作的大門，他們或許能將自己的專業知識應用於冰蓋動力學，而西姆則強調了更多實地考察的必要性。

“讓實驗人員和觀測人員有興趣幫助我們更好地確定這些含水沉積物的一些特性–這將非常有幫助，”Sim 說。”這是我們目前最大的未知數，它嚴重影響著研究結果。

她補充說：「從系統深處汲取熱量的潛力非常有趣。」有相當多的水可以汲取更多的熱量，我認為那裡的熱量預算可能會很有趣。”