地球最冷的地方底下，為什麼有一座不結冰的湖？
― 南極冰層的底部，被厚毛毯保暖、被重蓋子壓著
南極有一個地方，記錄到了地面觀測中最低的氣溫：零下89℃。就在它的正下方，近4公里厚的冰層底部，沉睡著一座面積近琵琶湖20倍的「液態水湖」。照理說會把水凍住的冰，其實正是守護這座湖的功臣。
在多雪地區的田裡，據說積雪豐厚的年份，土壤反而比較不容易結凍。上面雖然是零下，雪底下的土卻能維持在接近0℃。
1983年，南極的沃斯托克站觀測到零下89.2℃。這被認為是地面氣象觀測所記錄到的、地球上最低的氣溫。
然而，從這座站的腳下往下挖約3700公尺，冰層底下卻有液態的水。這就是「沃斯托克湖」，南極最大的冰下湖。它為什麼沒有結冰呢？
不結冰的理由只有2個
地底會一點一點地傳上來地球內部的熱。近4公里厚的冰，就像一條很難讓熱散出去的厚毛毯。熱被悶住，越往底部越溫暖。
冰被用力擠壓時，在低於0℃的溫度也會融化。底部承受約330大氣壓，融化的溫度會降到零下2℃左右。
也就是說，底部的溫度被推向「升高」，而融化的溫度被推向「降低」。兩者相遇的地方，冰就變成了水。接下來我們依序來看。
地球的熱，被冰毛毯悶住
地球內部至今仍有數千℃的高溫。這些熱以每平方公尺約0.05瓦的微小量從地面漏出。這個量，用手掌是感覺不到的。
一般的地面，這些熱很快就散到空氣中。但在南極，上面堆了近4公里厚的冰。1公分的冰算不上什麼隔熱材料，可是疊上幾千公尺，熱就很難傳到表面了。
熱要穿過去，上下之間必須有溫度差。即使熱量很小，要穿過4公里的冰也需要很大的溫差。結果，就算表面是零下55℃，底部也會暖到融點。
請看圖1的右側。把虛線順著延伸下去，底部會是＋34℃。當然，實際上不會這樣。因為一到融點，多出來的熱就拿去融化冰了。而且在真實的冰床中，從上方不斷落下的冷雪會把冷意帶往下方，所以溫度上升得比這條虛線更平緩。即便如此，底部達到融點的地方仍然很多。
冰的重量，壓低了融化的溫度
一般的物質，一壓緊就更容易變成固體。但水是個怪咖，冰的體積比液態水更大。所以用力一壓，就會傾向體積較小的液態水。也就是說，被擠壓的冰在低於0℃時就會融化。
這個效果其實很小。每增加1大氣壓，融化溫度據說只降低約0.0075℃。用溜冰鞋的冰刀壓一下，幾乎沒有什麼作用。但近4公里厚的冰，重量可達約330大氣壓。這時融化的溫度就會降到零下2.4℃左右。
沃斯托克湖的水溫，估計在零下3℃上下。明明比0℃還冷卻能保持液態，靠的就是這個沉重的蓋子。
冰下的湖，是從空中向冰層發射電波來尋找的。湖面會強力反射電波，而且看起來很平坦。2012年的清單中，南極共數出約380座。人造衛星的測量還發現，有些湖之間以河流相連，水在幾年內就會排空或再度充滿。
總結
南極冰層底部不結冰，是因為厚冰像毛毯一樣鎖住地球的熱，同時冰的重量又像蓋子一樣壓低了融化的溫度。極寒的地表與液態的湖，其實是同一片冰的上方與下方。
冰越厚，越會融化自己的底部。
在地球最冷的地方底下，湖被溫暖著。
冰底的水，也與冰河流動的機制有關。歡迎一併閱讀冰河明明是堅硬的冰，為什麼會像河流一樣流動？。比0℃更冷的水，請看零下20℃也不結冰的水；壓了也不融化的冰，則在結冰的路面，為什麼那麼滑？中介紹。同樣在南極的厚冰裡，80萬年前的空氣以氣泡的形式沉睡著，這個故事請看南極的冰裡，為什麼封存著80萬年前的空氣？。
- 在冷凍庫做一大塊冰，像橋一樣架在兩個杯子上。
- 在細鐵絲的兩端，各綁上一個裝了水的寶特瓶。把鐵絲掛在冰塊正中間，讓它垂下來。
- 在冷的地方等數十分鐘到數小時，鐵絲會慢慢沉進冰裡。可是它經過之後，冰仍然是連在一起的。
鐵絲正下方的冰被擠壓而融化，水繞到鐵絲上方，不再受壓後又重新結凍。這種現象叫作「復冰」。不過鐵絲傳導周圍熱量的效果也混在其中，所以這不是只有壓力作用的純粹實驗。請小心使用刀具和重物，並在大人陪同下進行。
想知道更多的人 ― 用語・算式・與課本的連結明確標示從國中理化到大學專業課程，各屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「物理」「地球科學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學、大學專業課程（熱力學・雪冰學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教，目前研究者仍在探究的話題
國中用語：這個現象有名字
- 冰下湖（冰床下湖）：積在南極或格陵蘭厚冰（冰床）底部的液態水湖。
- 地殼熱流量：從地球內部漏到地表的熱量。以每平方公尺的瓦數表示。
- 壓力融解：壓力越高，冰的融化溫度越低的現象。被擠壓而融化、鬆開後又結凍的現象，叫作「復冰」。
國中高中用算式確認：冰底的「融化溫度」與「溫度」
主題是兩個量。底部的冰融化的溫度（融點），以及只靠熱傳導的話底部會是幾℃。前者由壓力的算式求得，後者由熱傳導的算式求得。
| 用符號寫（壓力） | P ＝ ρ × g × h |
| 用符號寫（融點） | 融點下降 ΔT ＝ β × P |
| 用符號寫（熱） | q ＝ k × ΔT熱 ÷ h → 溫差 ΔT熱 ＝ q × h ÷ k |
| 用文字寫 | 底部壓力 ＝ 冰的密度 × 重力加速度 × 厚度。融點下降 ＝ 係數 × 壓力。通過冰的熱 ＝ 導熱程度 × 上下溫差 ÷ 厚度 |
| 這些算式從哪裡來 | 第1式，是上方冰的重量除以面積（力的平衡）。第2式，是把冰與水能共存的溫度和壓力的關係（克勞修斯－克拉珀龍方程式），在窄範圍內視為直線。第3式，是熱從高溫側流向低溫側、並與溫差成正比的熱傳導定律（傅立葉定律）。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| ρ | 冰的密度（kg／m³） |
| g | 重力加速度（m／s²） |
| h | 冰的厚度（m） |
| β | 每1百萬帕斯卡壓力的融點下降（℃／百萬帕斯卡） |
| q | 地殼熱流量（瓦特／m²） |
| k | 冰的熱傳導率（瓦特／m／℃） |
| 冰的厚度（沃斯托克湖上方） | 約3700m |
| 1m冰的壓力（密度917kg／m³、重力加速度9.8） | 約0.009百萬帕斯卡 |
| 融點下降 β | 每1百萬帕斯卡 約0.074℃ |
| 1大氣壓 | 約0.1百萬帕斯卡 |
| 地殼熱流量 q | 每1m² 約0.05瓦特 |
| 冰的熱傳導率 k | 約2.1 |
| 表面的年平均氣溫 | 約−55℃ |
| 底部的壓力（百萬帕斯卡） | 0.009 × 3700 ≒ 33 |
| 換算成大氣壓 | 33 ÷ 0.1 ＝ 330 |
| 融點下降（℃） | 33 × 0.074 ≒ 2.4 |
| 傳熱所需的每1m溫差（℃） | 0.05 ÷ 2.1 ≒ 0.024 |
| 整層冰的上下溫差（℃） | 0.024 × 3700 ≒ 89 |
| 只靠傳熱時的底部溫度（℃） | 89 − 55 ＝ 34 |
底部的融點約為零下2.4℃。另一方面，只靠傳熱的話，底部會算出＋34℃，遠遠超過融點。實際上，落下的雪會把冷意帶往下方，所以溫差比這個小，有些地方的底部甚至一直是結凍的。即便如此，這個粗略的估算，仍能看出「冰越厚，底部越容易融化」。
高中高中＋水為什麼是個「怪咖」
高中水分子靠氫鍵手牽著手，結成冰時會形成空隙很多的六角形骨架。因此冰的體積比水大約9％，會浮在水上。被擠壓時，變化會往體積較小的液體那一側進行。這在「相圖」上，表現為固體與液體的分界線向左傾斜。
高中＋在沃斯托克湖上方，一般認為冰的底部在湖的北側融化，而在南側則是湖水再度凍結。這是因為冰的厚度因地而異，融點也不同。附著在湖上的「再凍結冰」，已經由鑽探取出，作為了解湖水的線索進行過研究。
大學冰床的熱收支與平流的作用
冰的融點與壓力的關係，可由克勞修斯－克拉珀龍方程式，從熔化熱與體積變化導出。冰床的溫度分布，是用熱收支的算式求得：在傅立葉定律的熱傳導之外，加上積雪速度造成的平流（冷冰被帶往下方的效果），以及冰流動時的摩擦熱。積雪越多的地方，底部越冷；冰越厚的內陸，底部越容易融化。
📖 算式的推導，以及更進一步的內容：克勞修斯－克拉珀龍方程式（維基百科） ／ 沃斯托克湖（維基百科）
研究還不太清楚的事
- 湖裡有生物嗎？ 在西南極的威蘭斯湖，2013年的鑽探從水中發現了微生物。至於更深、更孤立的沃斯托克湖裡住著什麼，由於鑽探時的汙染問題，仍不清楚。
- 地熱在哪裡、放出多少？ 南極的地殼熱流量幾乎沒有能直接測量的地方，各地的數值差異很大。哪裡的底部在融化，預測也會受它左右。
- 底部的水會如何改變冰的流動？ 冰下的水被認為像潤滑油，讓冰更容易滑向海洋。湖水一口氣排空的現象，會如何影響冰流動的速度，研究仍在持續。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「就目前所知範圍內的說明」。湖水的溫度與地熱的數值，會因估算方法而不同。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「狀態變化」「壓力」 | 冰與水、重量造成的壓力 |
| 高中 | 物理「熱」、地球科學「地球內部」 | 熱的傳遞方式、地殼熱流量 |
| 高中＋ | 化學「相圖」 | 一壓就融化的水的性質 |
| 大學 | 熱力學・雪冰學 | 克勞修斯－克拉珀龍方程式、冰床的熱收支 |
| 研究 | 極地科學・天體生物學 | 冰下的生物、地熱的分布 |
| ― | 與生活的連結 | 多雪的年份田裡的土比較不容易結凍，也是因為厚厚的雪層讓地面的熱散不出去 |
- Wright, A. and Siegert, M. (2012) A fourth inventory of Antarctic subglacial lakes. Antarctic Science
- 維基百科「沃斯托克湖」（ウィキペディア「ボストーク湖」）
- Kapitsa, A. P. et al. (1996) A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature 381
- Christner, B. C. et al. (2014) A microbial ecosystem beneath the West Antarctic ice sheet. Nature 512
- Cuffey, K. M. and Paterson, W. S. B. (2010) The Physics of Glaciers, 4th ed. Elsevier
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中數值是為了理解機制的參考值與概算。南極的觀測值，會因測量方法與年代不同而有不同的報告。