用无线电回声探测发现冰下湖泊

在第一批关于冰下融化和南极洲中部存在湖泊理论的出版物问世后将近10年，才出现了新的相关发展。它始于在南极洲上空的飞机上使用无线电回波测高。这些飞机的飞行员报告说，当他们的飞机在冰川或冰山上空低空飞行时，高度计与实际高度相比偶尔会显示错误的高度。这种差异被解释为来自空气/表面边界的无线电回波反射和来自冰川底部或冰川内层的反射混合的结果。这一发现意味着，找到合适的频率和开发合适的监测设备，将使无线电回波探测成为研究冰盖的一种新的有力方法。

使用这种方法的第一个实验发现包括一系列的冰川下的湖泊由时任剑桥大学斯科特极地研究所(SPRI)所长的G. de Q. Robin博士带领的一组英国科学家在南极冰盖中心以下进行了研究，他还撰写了关于南极和格陵兰冰盖热状况的文章(Robin, 1955)。SPRI小组与丹麦技术大学(TUD)的电磁实验室和美国国家科学基金会(NSF)的极地项目部门密切合作。这种合作是有利的，因为它结合了TUD在电子和天线设计方面的专业知识，SPRI的新设备的开发，以及美国LC-130飞机的后勤能力，用于安装设备和使用高精度惯性导航系统在冰盖的大面积上空进行远程飞行(Robin et al.， 1977)。那时候全球定位系统(GPS或GLONASS)还没有投入使用，在毫无特色的地形上飞行是很困难的，特别是如果你需要精确导航的话。因此，图4.1所示的许多飞行必须在观测距离内进行Vostok站，从而确保减少导航误差。

图4.1。1967-1975年期间在南极洲进行的无线电回波探测飞行线路(改编自Robin et al.， 1977年)。缩写:RIS -罗斯冰架;南极站:B -伯德;C -圆顶;杜蒙-居维尔;H -哈雷湾;M麦克默多;S -南极;V -东方。

这些飞行的大部分结果是在飞行路线上的长胶片记录，记录了从冰盖内连续监测所获得的无线电反射的时间和位置。胶片记录显示了冰/岩石的界面(冰盖的底部)以及大量近乎平行的内部层反射。在大多数反射中，冰盖底部呈现不规则，垂直粗糙度分辨率超过500 m，水平长度约300 km。

在一些地方，反射的外观和强度完全不同，看起来是水平的和平滑的。在东南极洲中部的Sovetskaia站附近，有一个地区的这种反射特别强烈，那里的冰厚度约为4200米。罗宾博士和他的同事将其解释为冰水层边界。

在1971/1973年野外季节进行的进一步研究表明，在东南极洲的其他地方，具有高反射系数的平坦光滑表面(约千米长)很常见(Oswald和Robin, 1973)。

图4.2。显示冰下湖的无线电回声探测(G. de Q. Robin, 1993, pers。commun)。

在1974/ 1975年实地考察期间，继续对底部反射的这些特性进行研究。对南极洲东部其他17个此类案例的分析表明，所有这些案例都位于有证据证明存在冰川的地区冰的床由坚硬的岩石组成，其速率之高冰川运动低(意味着侵蚀碎片的搬运也低)，这些区域的表面也几乎是水平的。罗宾博士和他的同事们将冰盖底部的这种现象解释为湖泊(图4.2)。

不幸的是，这些湖泊的厚度或深度尚不清楚，因为无线电信号在水中不会传播。很明显，只有厚度大到足以大于无线电回波信号的波长。

1971/1972年和1974/ 1975年期间，在Vostok站附近进行了许多无线电探空飞行，因为大多数需要与该站进行目视接触，以便纠正飞机导航。许多这样的飞行记录了大量的“水反射”，这使得Robin等人(1977)认为该地区有一个巨大的冰下湖，其中心位于东方站西北偏北约190公里处。所以，发现沃斯托克湖通过无线电回声测深已经完成了，但当时没有人意识到他们的发现的后果。

图4.3。罗宾博士飞越约斯托克站的飞行地图(改编自罗宾等人，1977年)。(1) Dome(“B”)-Yostok(“Y”)区域无线电回波探测到的亚冰湖位置示意图(改编自Robin et al.， 1977)。显示了1971 - 1972年和1974-1975年两个季节的飞行轨迹。线条加厚的部分是亚冰水体。等高线代表海拔高度，单位为米。(2)太阳和低空飞行的飞机之间所需的角度(Robinson, 1960)。

回顾约斯托克站周围的情况:众所周知，大多数无线电回声探测飞行都在约斯托克附近开始和结束，每次飞行都确定冰盖底部存在液态水。然而，1964年在Yostok站对冰盖底部进行了地震研究，解释为它代表了一层冰冻沉积物，而不是水。这种分歧对罗宾小组的解释提出了一些质疑，因为来自地震研究的证据传统上被认为比无线电回波探测更准确。

尽管存在这种分歧，罗宾博士坚持认为存在一个大湖，并特别注意图4.3和8.1中“a - a”航线上130号航班的数据。他相信这次飞行是沿着地球的长轴飞行的

图4.3。罗宾博士飞越约斯托克站的飞行地图(改编自罗宾等人，1977年)。(1) Dome(“B”)-Yostok(“Y”)区域无线电回波探测到的亚冰湖位置示意图(改编自Robin et al.， 1977)。显示了1971 - 1972年和1974-1975年两个季节的飞行轨迹。线条加厚的部分是亚冰水体。等高线代表海拔高度，单位为米。(2)太阳和低空飞行的飞机之间所需的角度(Robinson, 1960)。

“湖?

图4.4。通过无线电回波探测确定的冰下湖泊位置(改编自Siegert, 2001)。这些湖泊集中在冰分水岭附近。

从湖中间穿过。然而，他认为东方站的地震测深位置远离湖泊。

应该指出的是，在飞机到达湖面上空后不久，主无线电回波探测连续记录相机的胶卷卡住了，在飞机沿湖飞行的大部分时间里，它都没有工作。飞行中的科学家们修复了它，在湖泊结束之前，摄像机再次记录下了底部水的反射。这种情况是墨菲定律的一个很好的例子。罗宾医生这样描述这个问题:“……在飞行过程中，其中一台无线电回波记录摄像机卡住了，但当时形成的印象是，湖泊的回声出现在不连续的A-A段的更多地方[如图4.3所示]。仔细检查1971-1972年的记录还发现，在靠近该地区的飞行路径上有湖泊回声。我们认为，所有这些回声都来自一个几乎连续的水体，湖泊的长维度约为180km，典型宽度为45km”(Robin et al.， 1977)。人们终于可以说，这是真正发现沃斯托克湖的时候。

罗宾博士负责的机载无线电回波测深的操作基地是麦克默多站，我很幸运地在那里，我从实地工作回来后罗斯冰架项目(RISP)。罗宾博士告诉了我他当时的发现，我提到了我的想法，即在冰盖表面探测大型冰下湖泊的痕迹，部分来自于低空飞行的飞机对冰盖表面的视觉研究。我告诉他，我在南极洲的第一个冬天是和1958年苏联南极考察队(SAE)的一个航空小组的高级领航员罗宾逊先生一起度过的。罗宾逊先生告诉我，当他和其他飞行员从米尔尼飞往沃斯托克站时，他们在高原表面看到了一些相对较大的区域，这些区域与其他地方明显不同。这些区域总是在相同的地方出现，飞行员用它们来导航，称它们为“湖泊”(Robinson, 1960)。

然而，只有当低空飞行的飞机远离“湖泊”，且视角较低时，才能看到“湖泊”。在写给《SAE信息公报》编辑的一封信中，Robinson提到:“……大陆内部的自然地标除了个别的山脉和山脊外，还有椭圆形的洼地和平缓的“海岸”，从高原上空的飞机上可以看到。这些洼地的深度通常不超过20-30米，长度通常不超过10-12公里。这些不寻常的洼地有时被飞行员称为“湖泊”。从空中可以清楚地分辨出这些湖泊是高原白色背景下的斑点，特别是当太阳轨道的角度接近180°时”(Robinson, 1960)。我不同意他的评论，“湖泊”是深度不超过20-30米的洼地，因为还没有人在地面上参观过这些“湖泊”。“沮丧”和“深度”这两个词可能是随意添加到文章中的，甚至可能是在发表这封信之前，在编辑的坚持下。从罗宾逊告诉我的东西中，我得到的印象是，“湖”和“湖”本身边缘的差异是光学性质的结果，因此你实际上无法“看到”“湖”(它取决于一个低气压太阳角这是其一)。

罗宾逊先生和我在南极洲度过了一个冬天，这让我有更多的时间去了解这些“湖泊”。在他的短篇文章发表后不久，他遗憾地在北极的一次飞机失事中丧生。

罗宾逊在南极冰盖中部(因此也是最厚的部分)表面发现的“湖泊”，以及罗宾博士在沃斯托克站附近发现的一个巨大的冰下湖，代表了一个清晰、简单而重要的信息。一个冰下湖，比它上面的冰盖的厚度大一到两个数量级，必须是透明的，并在表面上表现出它的存在。沿着岩石冰川床的粗糙斜坡移动的冰盖和漂浮在亚冰湖水面上的冰盖的情况有很大的不同。如果湖泊的大小与上面冰盖的厚度相比足够大，这种差异就会在表面显现出来。

奇怪的是，当罗宾逊先生和我在1959年讨论他的“湖泊”时，我们没有想到这一点，因为那时我已经知道南极洲中部冰盖底部的永久融化。

所以，我们离开了南极洲，不幸的是，我从来没有让他看一下他的飞行地图，看看这些湖在哪里，以为我们以后会有足够的时间。不久之后，他失去了生命。后来我试图从其他飞行员那里找到这些湖泊的证据，但没有人对它们有任何确定的说法。看起来罗宾逊先生把所有的信息都藏在心里。他毕业于莫斯科国立大学地理分校极地国家系，并希望攻读该学科的博士学位。雷竞技手机版app1975年，在麦克默多，为了纪念我的朋友，我试图在罗宾博士和他的团队发现的巨大冰下湖上方寻找他的“湖泊”的表面证据。

罗宾博士对这个想法很感兴趣，我们很快就专程飞行去寻找可见的证据。我说“特别”，是因为为了模拟罗宾逊先生的飞行条件，LC-130飞机只能在高原表面上方几百米的高空飞行，这种做法既消耗大量燃料，又很危险。

罗宾博士对这次事件的描述如下:

在对这一特性的非正式讨论中…I. A.佐提科夫…引起了人们对罗宾逊(I960)的一篇报告的注意……沃斯托克地区存在浅雪面洼地……

随后在巨大的冰下湖上空的飞行确实从视觉上证实了这一点，“湖岸”显示为白色的积雪区域——在某些情况下，与无线电回波结果的边缘很好地对应。我们认为这些“湖泊”是可见的，因为它们有着均匀的平面(“湖”)和平缓的倾斜表面(“岸”)。这可能是由于两个表面之间相对太阳角度的差异引起的反照率的变化，也可能是由于不同的积雪积累速度导致的纹理变化。

冰下湖的范围无法明确定义，因为不幸的是，其中一台无线电回波记录摄像机在飞行过程中卡住了，但当时形成的印象是，湖回波在不连续的A-A段上出现得更多[图4.3]……我们认为，所有这些回声都来自一个几乎连续的水体，湖泊的长尺寸约为180公里，典型宽度为45公里。

在这么大的区域上，基底摩擦的消除必然会对冰盖的上表面产生某种影响，在我们的例子中，基底表面基本上是水平的，上表面水平似乎是一个合理的结果。我们的测量不够精确，但表明平均表面斜率小于1 / 2000，而区域值约为1 / 700。

底部对应“水”的痕迹所在的一大片区域，以及从低空飞行的飞机上看到罗宾逊“湖”效应的区域(图4.3(1))被Robin博士在地图上阴影化了。现在我们知道这片阴影区域就是约斯托克湖所在的位置。现在被称为约斯托克湖的实际发现是由罗宾等人(1977年)发表在伦敦皇家学会的著名期刊《哲学汇刊》上，尽管它被许多人看到，但在当时，它并没有像现在这样引起科学界的兴趣。

几年后，罗宾博士的学生麦克恩泰尔(Mclntyre)绘制了一幅东南极洲地图，地图上显示有一个巨大的冰下湖，而沃斯托克湖就在那里(Mclntyre, 1983;Siegert et al.， 1996)。在麦克恩泰尔的地图上，这个湖被标记为沃斯托克湖，比其他出版的文献中第一次提到这个名字早了11年。

继续阅读:地震资料重新解释的必要性

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