科学家正在破解某些冰川容易突然跃动的原因――冰川跃动有时甚至会把路上行人冲走。
2015年9月，挪威斯瓦尔巴群岛的瓦伦伯格布里恩冰川一天之内跃动了将近9米，吞没了一个海滩
冰川“跑得”像火车一样快
在藏西高原，2016年7月17日的早晨天气很好。“在昨晚一场大雨过后，今天的空气闻起来特别清新。”西藏阿里地区日土县东汝乡阿汝村村主任占堆说，他和许多西藏人同名。然后，占堆接到了一个令人毛骨悚然的电话。一个村民连珠炮似的向他描述了一场突如其来的冰崩刚才如何“吞噬了牧场”――冰崩扫荡了一片肥沃的牧场，那是包括占堆的一些亲戚在内的阿汝村村民放养牦牛和羊群的地方。
占堆拔腿飞奔到海拔5100米高的阿汝冰河，投入救援工作。牧场已经消失了，被埋葬在30米高的冰墙之下。据目击者描述，冰川就像一列高速火车一样行进，冰崩方量相当于把冰倾倒入4万个奥运会标准游泳池中。包括占堆的姐姐和她的4个孩子在内，9人被埋，被埋的还有数百头牲畜。
成千上万条冰川坐落在人类居住地附近，近几十年来，已有数十次冰川跃动夺走了人类的生命。其中最恶劣的一次冰川跃动发生在2002年，俄罗斯南部高加索山脉的柯卡冰川发生崩塌，造成140人死亡。传言乃至有一些初步的统计表明，冰川跃动正变得越来越频繁。在阿汝冰崩发生仅仅两个月之后，中国科学家手头研究的案例增加了一个――邻近的又一个冰川跃动吞没了另一片牧场。所幸这次冰川跃动，没有造成人员伤亡。“但是，这接二连三的冰川跃动着实让人心惊，”中国科学院青藏高原研究所的冰川学家姚檀栋表示，“会让你觉得纳闷：这是咋回事啊？”
跃动之谜
大多数冰川跃动，广义的定义是冰流速度比冰川通常的前进速度要快至少10倍，通常是数百倍，并且更安静。很多冰川运动缓慢得觉察不到，但也有些冰川的运动速度非常惊人。例如，1953年，巴基斯坦的库提阿冰川在3个月时间里前进了12千米。除了掩埋居住地，冰川跃动还会威胁到遥远的社区。它们会堵塞河流，所形成的湖泊随后可能会暴发洪水，并且通过损耗冰川质量，它们会威胁下游城镇和农场赖以生存的融水的流动。
现在，通过研究从西藏到挪威斯瓦尔巴群岛的北极岛屿的冰川，研究人员开始理解为什么有些冰川会在极端的停滞和破坏性的涌流之间摇摆，以及如何预测冰川跃动。一直以来，大多数冰川学家都认为冰川的物理特性，比如厚度、形状以及所处的地形特点决定了其是否会发生跃动。现在，他们相信有一个外部因素也发挥着重要作用：降水和融化产生的水。这些水能在冰面上蓄积成池，并通过裂隙渗入冰川，抵达冰川的底部，然后加温、润滑最终融化冰川。
没有人认为这就是完整的解释。挪威奥斯陆大学的遥感专家安德烈亚斯·卡巴（Andreas Kaab）指出，“多种因素的综合作用决定了冰川是否以及如何跃动。”但是融水的一个重要作用表明“在全球变暖的环境下，我们很可能看到更多的冰川跃动，”姚檀栋表示，“这对风险管理提出了严峻挑战。”
研究跃动的冰川也有助于人们洞悉大规模冰川流动带来的全球影响：南极和格陵兰岛的冰盖运动可能会突然改变，从而改变影响海平面的输冰量。“潜在的物理学是相同的。”奥斯陆大学冰川学家托马斯·舒勒（Thomas Schuler）说。
冰川跃动让科学家们既着迷又困惑了数十年。“如果你把冰川看成是一个银行账户，那么，一次冰川跃动就是一次大规模的支出潮。”卡巴指出。所有冰川都必须排出其上游积聚的质量。“一些冰川就是流动得更快，但是也有些冰川无论如何都流不快，”他说，“它们像是被困住了，直到几十年乃至几百年后,积累的质量才以一种壮观的方式释放出来。”
据我们所知，地球只有1%的冰川――总数大约是2 300个，正在经历这些突如其来的运动，不过如果对冰川进行更密切的遥感监测，这个数字很可能还会增加。冰川跃动集中在地理学的热点地方，包括挪威斯瓦尔巴群岛、加拿大的育空地区、美国的阿拉斯加州、中国的藏西以及中亚的喀喇昆仑山脉和帕米尔山脉。地理格局只会使冰川跃动这个谜题更加高深莫测。例如，一些专家认为喀喇昆仑山脉的冰川因为陡峭而容易跃动；在接近冰川顶部的地方发生强降雪时，累积的冰雪质量仅仅在重力作用下就可能引发冰川跃动。但是，这并不能解释为什么在地势相对平坦的斯瓦尔巴群岛，跃动的冰川比比皆是。
即使是相邻的冰川也可能具有完全不同的“个性”。位于特罗姆瑟的挪威极地研究所的冰川学家杰克·科勒（Jack Kohler）以斯瓦尔巴群岛上两个毗邻的巨大冰川――孔斯维根冰川和科隆布里恩冰川为例，指出，“它们就像双胞胎兄弟，但是一个跃动，另一个却不跃动，这完全就是一个谜。”
为了了解冰川跃动更深层的动力学，研究人员试图亲眼看见这一现象，但一直以来想这样做并不容易。1980年，位于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学的冰川学家加里·克拉克（Garry Clarke）认为，在育空地区的特拉普里奇冰川看见跃动现象的概率比较大，40年前那里曾发生过一次剧烈的冰川跃动。他注意到，冰川的上游正变得越来越陡峭，裂隙正在成倍增加――这通常是冰川不稳定的迹象。“它看起来精力充沛，像是准备再爆发一次跃动。”克拉克说。他的团队安装了各种仪器监测一系列参数――从冰的温度到水压和冰下的传导率等。“我们真的希望从一开始就捕捉到一次精力充沛的冰川跃动是如何发生的，”他说，“我们所能做的唯有等待，但是冰川发生跃动的那个时刻并没有来临。”
不过，在斯瓦尔巴群岛，舒勒和他的同事们则运气更好。2004年，他们开始监测欧洲面积最大的冰盖――挪威奥斯特芬那冰盖，这个巨型的冰盖有些地方达560米厚，横亘8 500平方公里，大约是波多黎各的国土面积那么大。他们的目标是评估冰川质量的波动，并不指望看到冰川跃动。但是，没想到3年后，他们看到冰川形成了裂隙。2007年夏天，他们在钻入冰川的金属桩上安装了GPS接收机。舒勒说，“后来，事情变得越来越有趣了。”
正如2015年研究人员在《冰冻圈》（The Cryosphere）杂志所报告的，每年，奥斯特芬那冰盖都会在7月初加速运动，而在8月下旬运动变缓。更快的运动速度与气温高于冰点的天数有广泛关联。但是，年复一年，冰川在8月减缓运动之后，其运动速度仍比加速前更快。“每年夏天，冰川的运动速度都被推进到一个更高的水平。”舒勒说。与此同时，冰川的裂隙变得更深并不断扩大。突然，在2012年秋天，冰川以一种蔚为壮观的方式崩塌了。在随后的几个月里，冰川喷涌出4.2立方千米的冰到巴伦支海，足以填满170万个奥运会标准游泳池。舒勒认为，“这次冰川跃动之壮观，堪称世纪之跃动。”
神奇之水
基于气候变暖和冰川运动加速之间的相关性，舒勒和他的同事们认为，触发冰川跃动的是年年夏天从冰川裂隙滴落下来并在冰川底部累积的融水。当渗水结冰，所释放出来的潜热暖化了周围的冰。“单单是这个因素就能使冰川动力学发生极大的改变。”因为暖和的冰比零下的冰流动速度要快很多，舒勒说。随着越来越多的水聚积在奥斯特芬那冰盖下，与日俱增的压力就像一个液压千斤顶，把冰川从冰床上抬升起来。
最终，把奥斯特芬那冰盖的冰舌固定在地面的寒冰解体了。“冰舌是阻止冰川崩塌的关键部分。”奥斯陆大学的冰川学家乔恩·奥弗·哈根（Jon Ove Hagen）指出。冰舌的消融纵容了冰川跃动。
奥斯特芬那冰盖研究给冰川学家们带来了启示。并没有参与奥斯特芬那冰盖研究的英国圣安德鲁斯大学冰川学家海蒂·塞维斯特（Heidi Sevestre）认为，“如果水是触发冰川跃动的重要因素――我们现在正越发意识到这一点，那么，气候变化一定会对冰川跃动产生影响。”
无独有偶，冰川学家对西藏阿汝冰川跃动的分析同样指向了跃动与气候之间的关联。在藏西，自从20世纪90年代以来，每年的总降雪量稳定上升，尤其在高海拔地区，由于风力增强的西风带来了更多的降水，“冰川正在积聚质量，”姚檀栋指出，“就像银行账户变得越来越有钱了。”与此同时，该地区的平均气温在过去50年来上升了1.5℃，是同期全球平均升温的将近两倍。3D计算机建模表明，气候变暖已经促使阿汝冰川流出的融水量增加了50%。“这意味着更多的水会流过冰裂隙，并且蚕食冰体。”奥斯陆大学的冰川学家阿德里安·吉尔伯特（Adrien Gilbert）指出。2016年7月，在中国昆明举行的第三极科学峰会上，他描述了他的团队的研究成果。
2010年，卫星图像显示，阿汝冰川出现了新的裂隙，年复一年的夏天过后，这些冰裂隙变得更深更大。最终触发冰川跃动的可能是第一次跃动发生前持续大约40天的反常的强降雨和强降雪。降水“可能是压垮骆驼的最后一根稻草”，姚檀栋指出，他领导了一项关于阿汝冰川跃动的研究，成果发表在2016年2月的《冰川学》杂志上。
吉尔伯特的研究团队建立的模型表明，像奥斯特芬那冰盖一样，阿汝冰川是在其冰舌被“解锚”之后才发生跃动的。“你需要大量的水才能导致冰舌解锚，”卡巴说，“但是，一旦水找到了出路，跃动就会停止。跃动对冰川来说，是一种减压。”占堆和其他村民证实，在两次跃动之后，从冰川鼻喷涌而出的洪水都把山麓淹没了。
平衡之道
塞维斯特和她的圣安德鲁斯大学同事道格拉斯·本恩（Douglas Benn）把融水和降水对跃动的影响结合起来，以更开阔的视野思考：为什么一些冰川会发生跃动，以及跃动很可能在哪里发生。“为了避免麻烦，冰川只有一项工作可做，那就是保持平衡。”塞维斯特指出。这意味着冰川会想方设法排出从空气、地面、渗过裂隙的水和冰体前进产生的摩擦中获得的热量。
发表于2015年《冰川学》杂志的一篇论文中，塞维斯特和本恩通过一项建模研究表明，冰川在气候极端条件下最容易保持热平衡：在寒冷干燥的气候中，它们可以把热量释放到寒冷的空气中；而在温暖潮湿的环境中，它们通过稳定的融水流动排出热量。相比之下，在中间气候条件下的冰川很容易“身体不适”，不断积累内部热量，直到在其底部累积了足够量的水，触发冰川跃动。
这幅图景可以帮助冰川学家解释跃动冰川的地理格局，表明气候变化可能是影响冰川行为的一个举足轻重的因素。正如塞维斯特和本恩在他们的论文中所论述：“在气候变冷或变暖的情况下，冰川可能会从正常型变成跃动型，或者反过来。”抑或，如英国斯旺西大学冰川学家阿德里安·拉克曼（Adrian Luckman）所言，“冰川的行为可能比我们认为的更易变。”
气候变化可能已经增加了一些地区的冰川跃动次数。比如，在2011年的一篇论文中，加拿大渥太华大学的冰川学家卢克·柯普兰（Luke Copland）及其同事统计发现，喀喇昆仑山脉在1990―2004年的14年间发生的冰川跃动次数，是1990年以前的14年间发生的冰川跃动次数的两倍。在另一项研究中，该团队分析了加拿大育空地区的洛厄尔冰川在1948―2009年间发生的5次跃动，结果发现两次跃动之间的静止期的时间长度从20年缩短为12年。美国俄亥俄州立大学的冰川学家朗尼·汤普森（Lonnie Thompson）告诉《科学》杂志，他担心，随着气温升高，地处热带的安第斯山脉的一些高海拔陡峭冰川可能会变得不稳定。汤普森指出，“在那些冰原下面的峡谷地带，可是大城市和城镇。”
我们从冰川中学到的东西还可以应用到格陵兰岛和南极的冰盖。它们比大多数的冰川更为偏远，也更难研究，不过内部水暖和热平衡很可能同样影响了它们的运动。从它们内部流出的冰流“同样也能从平稳缓慢的移动转变为快速流动，继而倾倒更多的冰到海洋中，或者反之，”加拿大莱斯布里奇大学的冰川学家海丝特·吉斯库特（Hester Jiskoot）指出，“这是海平面打出的最狂野的牌之一。”
西藏阿汝2016年6月（左）和9月（右）的卫星图像，显示了两次大规模的冰川跃动，其中一次是致命的
一个教科书式的范例是西南极的坎布冰流。为了找到坎布冰流过去运动的线索，研究人员探查了很深的冰层，发现冰流每天前进2米，这种运动状态大概持续了若干世纪，直到19世纪中叶。然后，可能是在冰下积累的水流动到附近的冰流之后，它突然陷入几乎停顿的状态，每天只爬行几毫米，而附近的冰流则从此开始前进。
基于更小的冰川的数据建立的模型，可以帮助研究人员预测极地的冰流是否将在气候变暖的世界变得更反常。但是，舒勒提醒说，气候变暖对冰盖运动的影响比对单个冰川的影响更难预测。“我们几乎不知道长远来看这种影响将有什么表现。”
捕捉冰川跃动
晚春的一天，在斯瓦尔巴群岛上，克里斯托弗·努斯（Christopher Nuth）加大油门，开着他的雪地摩托车穿过雾霭，为了让上下颠簸的雪地摩托车不偏离道路，他像一个杂技演员一样变换骑行姿势。这位奥斯陆大学的冰川学家正例行往返于一个国际科学村新奥尔松和孔斯维根冰川，该冰川是前文所述形成奇怪的行为对比的两个冰川之一。
颠簸得骨头快散架的一个小时车程后，努斯抵达了他的野外工作场地。能见度得到改善，孔斯维根冰川看起来很静谧，其光滑的表面平缓地朝着峡湾倾斜。“孔斯维根冰川的平静外表具有欺骗性，”努斯说，“其实，它有行为反复无常的历史。”1948年，孔斯维根冰川倾吐出大量的冰和岩屑到峡湾和通往其邻居科隆布里恩冰川的旁路上，倾吐量没有可靠的估计。然后，它的运动慢下来，变成了世界上最迟钝的冰川之一，每天大约只爬行2厘米。相比之下，科隆布里恩冰川则没有表现出如此变幻莫测的行为，保持着每日前进3米的稳定步调。
现在，孔斯维根冰川可能会再次任性。它的上游积雪堆积，正变得越来越陡峭，孔斯维根冰川的运动正在加速。努斯屈膝跪在雪地里，把太阳能电池板连接到一个固定在冰里的GPS接收机上。通过此处和科隆布里恩冰川的传感器网络，他的研究团队将以毫米级精度测量冰体的运动。
初步研究结果表明，在温暖潮湿的条件下，冰川的表面能升高多达1/3米――努斯相信，这是来自冰下融水的巨大的液压效应作用的结果。“真是太神奇了，”他惊叹道，“那是大量的水，把数百米长的冰体抬升了。”通常，当冰体抬升后，冰的流动会变快――更多证据证明了融水在冰川跃动中所起的作用。2018年，努斯的研究团队将安装测震仪，探听冰下水流和裂隙形成的声音。
斯瓦尔巴群岛的科学家希望，把这两座邻近的冰川连接起来研究将会揭示为什么它们以截然不同的速度运动。他们也希望研究结果将有助于人们更广泛了解冰川流动力学，从而拯救生命，帮助预测海平面变化。努斯相信，科隆布里恩冰川可能处于崩塌的边缘，正如其70年前一样。“我们甚至可能捕捉到一次冰川跃动，”他说，“你根本预料不到。”
资料来源Science
责任编辑彦隐
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本文作者邱瑾（Jane Qiu）是北京的一名科学记者。她到西藏阿汝和斯瓦尔巴群岛新奥尔松的考察分别得到了国际水管理研究所的新闻奖金和欧洲地球科学联盟的支持。