“地形！地形！拉起！”
预设的警报声响彻驾驶舱，预示着一块快速逼近的岩石露头。飞行员戴维·费多斯随手一伸，解除了警报。他将高度旋钮向左一拧，将飞机对准了在正午阳光下闪闪发光的无边无际的白色。他将飞机平稳在1500英尺的巡航高度。
NASA的机载实验室正在低空飞越西南极冰盖。飞机内部，一组科学家正在测量这片覆盖着500万平方英里冰雪的大陆的温度，这相当于地球上约60%的淡水。
他们的仪器集中在阿蒙森海湾，这是一个富含火山、冰架和冰川的广阔区域，其中一些冰川与华盛顿州一样大。在这里和整个南极洲，数亿年的风暴将雪层层堆积，直至冰层高达数英里。冰川将这些冰从大陆深处输送到海洋，巨大的冰架漂浮在水面上。
美国国家航空航天局（NASA）机组人员在地球两极应对恶劣天气和地形。（图片来源：Mario Tama/Getty Images）
马里奥·塔玛/盖蒂图片社
飞机腹部，一系列仪器通过一扇在近50年历史的DC-8货舱上开出的窗户凝视着冰层。雷达信号穿过每一层冰，测量其深度。红外波测量热量。激光脉冲计算表面高度。重力仪则捕捉地球引力场的微小变化，完美地绘制出海床的岩石底部。
这些工具揭示了肉眼看不见的东西。温暖的海水正在冲刷并从下方融化冰层。阿蒙森海湾数十年的数据显示，这里的冰川消失速度比地球上任何其他地方都快。现在，对地形的新见解表明融化是不可阻挡的。这些沿海冰川阻挡着内陆冰川，因此它们的崩塌将引发连锁反应，最终导致西南极冰盖涌入南大洋。这可能意味着海平面上升10英尺。全球沿海城市将面临洪水。但何时发生？这个问题是气候研究的新前沿。
地球科学家戴维·加拉赫在DC-8的前行李舱工作，那里现在装有收集冰川厚度和地球引力场变化等数据的仪器。（图片来源：Mario Tama/Getty Images）
马里奥·塔玛/盖蒂图片社
“未来的巨大挑战是弄清楚这些时间尺度，”冰川学家、加州大学欧文分校教授埃里克·里尼奥说，“它可能进展迅速，也可能进展缓慢。”
科学家们正在从陆地、空中、海上和卫星探测这些冰川。他们将这些数据输入尖端计算机模型。他们发现的答案——以及人类的应对——可能预示着地球未来数千年的命运。
地球任务
一个多世纪前，科学家们就知道向大气中添加二氧化碳会升高温度。然而，部分是对另一个行星的观测，帮助启动了了解地球上正在发生什么的工作。对金星的首次探索表明，温室气体如何捕获热量并扼杀一个行星。詹姆斯·汉森，现在是世界上最受认可的气候科学家之一，在20世纪70年代末领导了NASA的先锋金星任务。天文学家了解到，金星大气中的二氧化碳含量比地球高出数百倍，使其近邻表面沸腾。
金星帮助汉森关注了地球上的气候问题。于是他辞去了职务，着手将一个复杂的预报模型改造成一个长期气候预测模型。然后，汉森和他的同事们向模型提出了一个简单的问题：如果二氧化碳排放量翻倍，地球将如何响应？《科学》杂志在1981年发表了令人担忧的答案：区域干旱、海平面上升、全球变暖。其他科学家也得出了类似的结论。
温暖的海水在冰架下循环，融化冰川底部，并将冰与岩石交界处的接地线推向内陆。这会使冰川不稳定并加速其退缩。（图片来源：Jay Smith，参考国家冰雪数据中心）
杰伊·史密斯（Jay Smith）根据国家冰雪数据中心资料绘制
“细节已经完善了很多，”汉森说，“但1981年的那篇论文勾勒出了我们现在数千名科学家正在努力解决的问题。”
在地球上出现新的科学问题——以及太空探索预算大幅削减——的背景下，国会于1984年赋予NASA一项新任务：增加“人类对地球的认识”。到20世纪90年代初，该航天局正在为后来成为地球观测系统（其主要气候科学贡献）奠定基础。
最终，美国国家航空航天局部署了一支由科学家和优秀的飞行员组成的团队，其中一些是美国国家航空航天局的试飞员，前往格陵兰岛。他们克服了恶劣的天气和严酷的地形，最终找到了冰盖消失的第一个证据。
吉姆·杨格尔是这次“地球任务”的早期成员之一。面对全球变暖可能导致冰川融化的威胁，NASA希望他的团队测量海洋高度并跟踪海平面上升。“这非常困难，”杨格尔说。潮汐、波浪，甚至大型船只都使得检测变化几乎不可能。
“冰桥行动”从其位于智利的基地启动。飞行员将威斯特安塔尔地区上空的交错飞行称为“割草”。 (图片来源：NASA/戈达德太空飞行中心科学可视化工作室)
美国国家航空航天局/戈达德空间飞行中心科学可视化工作室
所以他们转而绘制格陵兰岛的地图。当时，科学家们从卫星中获得了一些线索，但他们不确定世界主要冰盖是否正在融化。GPS尚处于初期阶段。计划是让NASA飞行员驾驶装载了新技术的喷气式飞机，在大陆上空纵横交错，这些新技术有望进行前所未有的精确测量。“几十年来，冰川学家们一直在默默无闻地使用小型工具，”NASA的约翰·桑塔格说，他是早期航班的资深成员，现在仍是团队的一员。
20世纪90年代初期在格陵兰岛进行的试飞表明，这支新兴团队能够将冰盖高度测量到几英寸之内。到1993年和1994年，他们正在冰川上空进行科学网格飞行。“我们不知道我们在寻找什么变化，但我们认为它们会很小，”桑塔格说。因此，当团队五年后回到他们的飞行路径时，他们对沿海冰川融化的速度感到惊讶。格陵兰岛每年损失12立方英里的冰。他们的研究于2000年发表在《科学》杂志上，首次测量了主要冰盖的缩小。这不会是最后一次。
NASA动画中展示的地球洋流，将赤道地区的暖水循环至遥远的区域。（图片来源：NASA/戈达德太空飞行中心科学可视化工作室）
美国国家航空航天局/戈达德空间飞行中心科学可视化工作室
提高温度
地球气候系统的核心实际上非常简单。阳光在地球赤道热带地区最为强烈。物理学不断地试图将热量从热带地区推向两极，在那里热量可以辐射回太空。
国家大气研究中心资深气候学家杰拉尔德·米尔（Gerald Meehl）说：“所有发生的大气环流和海洋环流基本上都在做这件事——它们都在输送热量。”例如，墨西哥湾流将热量带入北大西洋，给欧洲带来宜人的气候，然后将热量辐射到太空。两极也有它们自己的洋流。
南极洲强大的环极深流环绕整个大陆，由被称为西风带的强风驱动，这些强风也形成了南大洋危险而波涛汹涌的海域。流入的洋流将暖水从底部向上推。在某些地方，比如阿蒙森海，暖水甚至到达了大陆架。而且这些水正在变暖。
“我们目前所知道的是，洋流正在变化。而这些洋流来源的水域正在变暖，”冰桥行动团队的气候学家阿列克·佩蒂说，“这与我们对全球变暖期间发生的一般性看法相符，但实际机制仍不确定。”
下面有麻烦
与格陵兰岛不同，南极洲表面通常太冷，冰无法融化。但大陆海岸外的温度测量发现，温暖的海水正从海洋深处涌出。到1998年，卫星显示，阿蒙森海湾的松岛冰川正在退缩。过去，专家认为冰川底部每年只会融化几英寸。这座冰川每年却损失超过150英尺。松岛冰川及其邻近的思韦茨冰川都像西南极冰盖的塞子。科学家担心它们的融化可能会释放内陆冰块，这些冰块也将涌入大海。“基本概念是，如果这些冰川正在消退，那么整个西南极洲也将随之消退，”里尼奥说。
2002年，美国国家航空航天局的团队南下，协助南极研究工作。他们希望从南美洲最南端飞往遥远的南极洲，进行12小时的往返飞行。但当时没有可靠的天气预报。如果遇到任何重大问题，他们就会被困在那里——或者更糟。“那里非常寒冷，离任何帮助都很远，”桑塔格说。
美国国家航空航天局“冰桥行动”最近的主力机型是DC-8喷气式客机，该机型于20世纪70年代初停产。在此，技术人员在智利蓬塔阿雷纳斯机场为飞往南极洲的飞机做准备。（图片来源：Jeremy Harbeck）
杰里米·哈贝克
“我记得我们第一次飞行时，”里尼奥回忆道，“当我们出去的时候，风向实际上是相反的（与预测相反），这减慢了我们的速度。”看起来飞机将到达南极洲，并且燃料只够直接飞回，而无法收集任何数据，证明他们的任务确实不可能。“在中途，风向改变，把我们推向南极洲，”他说，“我们挽回了所有失去的东西。”
湛蓝的天空迎接了他们。当他们下降到松岛冰川时，23位兴奋的科学家和技术人员挤满了驾驶舱，拍照留念。“那是一个令人惊叹的时刻，”里尼奥说，“我们需要飞机上的测量数据来测量冰的厚度。我们无法从太空做到这一点。”
团队的发现加剧了冰川学家对阿蒙森海湾最糟糕的担忧。
科学家们担心西南极洲，因为其冰盖下的地面位于海平面以下。这意味着随着冰川退缩，暖水会迅速涌入，融化更多的冰。(图片来源：英国南极调查局)
英国南极调查局
脆弱的腹部
很难分清大地与天空。当我们飞越西南极洲1500英尺高空时，一层薄薄的蓬松云朵环绕着飞机，将云影投射在数英里长的冰面上。DC-8内部经过改造的工作环境远没有那么美观。驾驶舱窗户周围褪色的蓝色内饰剥落；机舱里弥漫着老旧乙烯基的味道；计算机电缆从头顶行李架上垂下来。美国国家航空航天局机载气候研究的遗产在这些简陋的环境中延续着。
前空军飞行员和美国国家航空航天局试飞员驾驶着最先进的科学仪器在冰盖上来回飞行，执行一项名为“冰桥行动”的任务。而这座数据之桥至关重要：美国国家航空航天局的极地观测卫星ICESat于2009年报废，而备受拖延的ICESat-2发射预计要到明年。
飞机冲破云层，一个飞机形状的阴影在冰盖上滑动，穿过一百多英尺深的冰裂缝。飞越松岛湾，飞机掠过一片冰川墓地。这里是松岛和思韦茨与海洋交汇的地方。巨大的冰架——南极洲最大的冰架比加利福尼亚州还大——被推开，漂浮在海洋上。
冰川与冰架之间的界限被称为接地线。加州大学欧文分校气候学家伯恩德·舒赫尔说：“这是冰从地面分离并开始漂浮的地方。”他绘制了整个大陆的冰层移动图。“它是接地冰和浮冰之间的界限。”
大部分底部融化可归咎于不幸的地形。东南极洲的冰盖下隐藏着一条堪比阿尔卑斯山的巨大山脉。然而，西南极洲却另有一番景象。其高达一英里的冰川大多位于海平面以下的地面上。科学家们将这片下沉的广阔区域称为该大陆的薄弱腹部。如果刮掉冰川，水就会涌入，只有少数岛屿会露出海面。
当松岛冰川缓慢滑向大海时，形成了一系列深邃的冰裂缝。（图片来源：Jeremy Harbeck）
杰里米·哈贝克
随着温暖的海水侵蚀冰架底部，接地线向内陆退缩。天然的水下山脊和丘陵有助于稳定退缩的冰川。它们就像汽车轮胎后面的砖块一样，阻止其下坡滚动。但最近的调查表明，几乎没有稳定的山脊线可以阻止冰川退缩。
不可阻挡的撤退
在过去的15年里，NASA的机载团队在松岛、思韦茨及其邻近的冰川：波普、史密斯、海恩斯和科勒上空飞行了数百次“之”字形模式。飞行员将这些纵横交错的飞行称为“割草”。
他们收集的数据使得里尼奥、舒赫尔和他们在加州大学欧文分校的团队能够绘制该区域的海底地图。卫星数据也帮助他们绘制了南极洲各地接地线的详细地图，并确定了冰川退缩最快的区域。“海床非常复杂，有些区域为这些冰川提供了温暖深层海水进入的通道，”舒赫尔说。
这些冰川下方地貌的详细地图显示，退缩是无法阻止的。松岛冰川、思韦茨冰川以及一些邻近的冰川已经耗尽了它们的稳定接地线，正在向内陆退缩数英里。“内陆没有大的隆起可以潜在地减缓或阻止这些冰川的退缩，”里尼奥说，“如果海洋变得越来越暖，退缩速度就会越来越快。”
冰山从思韦茨冰川崩解，漂浮在松岛湾。（图片来源：Jeremy Harbeck）
杰里米·哈贝克
高分辨率地图还有助于解释暖水如何到达阿蒙森海湾冰川的底部。在2月份发表在《地球物理研究快报》上的一项研究中，加州大学欧文分校的团队利用“冰桥行动”的数据，发现了浮冰架下方的深水通道。这些海床峡谷在较冷的时期由不断增长的冰川雕刻而成，延伸至松岛冰川和思韦茨冰川下方数千英尺。其他通道可能深达5000多英尺，位于史密斯冰川、波普冰川和科勒冰川口部的多特森冰架和克罗斯森冰架下方。
冰量流失已足以让卫星探测到地球引力场的变化。随着冰的重量脱落并融化入海洋，该区域的引力场会略微改变。欧洲空间局的CryoSat任务显示，从2011年到2014年，南极洲的体积每年减少30立方英里。该数据支持了NASA和欧空局卫星的观测，证实了阿蒙森海区域的冰量流失最为严重。
思韦茨入侵
最近的数据加剧了人们对思韦茨冰川可能构成最大威胁的担忧。由于这里已经发生的变化，思韦茨冰川的融化速度在短短六年内翻了一番，现在它贡献了全球海平面上升的约10%。该冰川的完全崩塌可能使海平面升高2英尺。
布鲁克·梅德利（Brooke Medley）是该次飞行的一员，她在NASA戈达德太空飞行中心（位于马里兰州）研究冰盖。当冰川从飞机窗外掠过时，她指出思韦茨冰川可能需要200年甚至更长时间才能崩塌。目前，它已导致阿蒙森海岸一半的水量增加到海洋中。
一架“冰桥行动”飞机降落在格陵兰图勒空军基地。20世纪90年代，飞行中收集的数据显示冰川剧烈融化。（图片来源：NASA）
美国宇航局
“我们不知道它下面的冰盖会融化多少，”她说。但她的团队在尝试模拟可能发生的情况时，发现了令人沮丧的结果。“无论我们提出何种情景，思韦茨冰川都会崩塌，”梅德利说。科学家们不确定这将需要多长时间，这种不确定性使人们重新关注思韦茨冰川。一条深而窄的沟槽有助于限制松岛冰川。思韦茨冰川就没有那么幸运了。随着它向内陆深处退缩，冰川会变宽。梅德利说，这种几何形状意味着思韦茨冰川也将开始从邻近的冰川中抽取更稳定的冰。明年，由国家科学基金会和英国自然环境研究理事会资助的2500万美元考察将收集思韦茨冰川的数据，这可能会提供一个更准确的“保质期”。科学家们称之为“思韦茨入侵”的实地考察并不容易。思韦茨冰川是南极洲最恶劣的地方之一。里尼奥说，“冰桥行动”为他的团队提供了他们所需的数据，以开始计算高分辨率模型。他们的下一步是利用一些强大的计算机能力——并将其与更好的海洋热观测数据相结合——以更精确地预测海平面上升。“我们已经对这个区域进行了彻底的测绘，”里尼奥说，“我们现在已经拥有了一些非常好的数据集，可以供模型运行。”西南极洲的研究已经促使美国政府修订了2100年海平面上升的预测。国家海洋和大气管理局1月的一份报告回顾了南极洲和格陵兰岛的最新观测结果。它估计在最坏的情况下，本世纪海洋可能上升8英尺。乐观的情况是：1英尺。里尼奥说，团队的目标不是看着冰盖崩塌。而是收集证据，让政策制定者倾听并采取行动，即使无法阻止不可避免的事情。“我们可以影响这些冰川退缩的速度，”他说，“如果退缩发生在1000年而不是一个世纪的时间尺度上，那将产生巨大的影响。
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埃里克·贝茨 是《发现》杂志的副编辑。他的Twitter是：@ericbetz
[本文最初发表于印刷版，题为“融化”]
