Naukowcy odkryli ogromny system wód gruntowych w osadach pod lodem Antarktydy

Główny autor Chloe Gustafson i alpinistka Megan Seifert zainstalowali instrumenty geofizyczne do pomiaru wód gruntowych poniżej Lodowego Strumienia Whillans na Zachodniej Antarktydzie. Źródło: Keri Kee/Obserwatorium Ziemi Lamont-Doherty

Wcześniej nigdy nie mapowane zbiorniki mogły przyspieszać lodowce i uwalniać węgiel.

Wielu badaczy uważa, że ​​woda w stanie ciekłym jest kluczem do zrozumienia zachowania zamrożonej formy znajdującej się w lodowcach. Wiadomo, że roztopiona woda zmiękcza żwirowe podłoże i przyspiesza marsz w kierunku morza. W ostatnich latach naukowcy na Antarktydzie odkryli setki wzajemnie powiązanych Płynne jeziora i rzeki Zagrożony w samym lodzie. Sfotografowali grube baseny osadów pod lodem, które prawdopodobnie zawierają największe zbiorniki wodne w historii. Ale do tej pory nikt nie potwierdził obecności znacznych ilości ciekłej wody w osadach pod lodem, ani nie zbadał, jak oddziałuje z lodem.

Teraz zespół badawczy po raz pierwszy zmapował ogromny system aktywnie krążących wód gruntowych w głębokich osadach Antarktydy Zachodniej. Mówią, że takie systemy, prawdopodobnie powszechne na Antarktydzie, mogą mieć nieznany dotąd wpływ na reakcję zamarzniętego kontynentu na zmianę klimatu lub przyczynić się do niej. Opublikuj badania w czasopiśmie Nauki ścisłe 5 maja 2022 r.

Witryny badawcze na lodowym strumieniu Whillans. Stacje obrazowania elektromagnetycznego ustawiono w dwóch miejscach publicznych (żółte oznaczenia). Zespół podróżował po szerszych obszarach, aby wykonać inne zadania, oznaczone czerwonymi kropkami. Kliknij na obrazek, aby zobaczyć większą wersję. Źródło: dzięki uprzejmości Chloe Gustafson

Główna autorka badania, Chloe Gustafson, która prowadziła badania jako doktorantka w[{” attribute=””>Columbia University’s Lamont-Doherty Earth Observatory. “The amount of groundwater we found was so significant, it likely influences ice-stream processes. Now we have to find out more and figure out how to incorporate that into models.”

Scientists have for decades flown radars and other instruments over the Antarctic ice sheet to image subsurface features. Among many other things, these missions have revealed sedimentary basins sandwiched between ice and bedrock. But airborne geophysics can generally reveal only the rough outlines of such features, not water content or other characteristics. In one exception, a 2019 study of Antarctica’s McMurdo Dry Valleys used helicopter-borne instruments to document a few hundred meters of subglacial groundwater below about 350 meters of ice. But most of Antarctica’s known sedimentary basins are much deeper, and most of its ice is much thicker, beyond the reach of airborne instruments. In a few places, researchers have drilled through the ice into sediments, but have penetrated only the first few meters. Thus, models of ice-sheet behavior include only hydrologic systems within or just below the ice.

Coauthor Matthew Siegfried pulls up a buried electrode wire. Credit: Kerry Key/Lamont-Doherty Earth Observatory

This is a big deficiency; most of Antarctica’s expansive sedimentary basins lie below current sea level, wedged between bedrock-bound land ice and floating marine ice shelves that fringe the continent. They are thought to have formed on sea bottoms during warm periods when sea levels were higher. If the ice shelves were to pull back in a warming climate, ocean waters could re-invade the sediments, and the glaciers behind them could rush forward and raise sea levels worldwide.

The researchers in the new study concentrated on the 60-mile-wide Whillans Ice Stream, one of a half-dozen fast-moving streams feeding the Ross Ice Shelf, the world’s largest, at about the size of Canada’s Yukon Territory. Prior research has revealed a subglacial lake within the ice, and a sedimentary basin stretching beneath it. Shallow drilling into the first foot or so of sediments has brought up liquid water and a thriving community of microbes. But what lies further down has been a mystery.

Pod koniec 2018 roku odrzutowiec narciarski USAF LC-130 zestrzelił Gustafsona wraz z geofizykiem Lamont Doherty Kerry Key, geofizykiem Colorado School of Mines Matthew Siegfriedem i alpinistką Megan Seifert na Whillans. Ich misja: lepsze odwzorowanie osadów i ich właściwości za pomocą narzędzi geofizycznych umieszczonych bezpośrednio na powierzchni. Daleko od jakiejkolwiek pomocy, gdyby coś poszło nie tak, zajęłoby to sześć wyczerpujących tygodni podróży, kopania w śniegu, sadzenia maszyn i niezliczonych innych prac.

Zespół wykorzystał technologię zwaną obrazowaniem magnetycznym, która mierzy przenikanie do Ziemi naturalnej energii elektromagnetycznej generowanej w atmosferze planety. Lód, osady, słodka woda, słona woda i podłoże skalne – wszystkie przewodzą energię elektromagnetyczną w różnym stopniu; Mierząc różnice, naukowcy mogą tworzyć podobne do MRI mapy różnych przedmiotów. Zespół umieszczał swoje narzędzia w dołach śnieżnych na dzień lub dwa, a następnie wykopywał je i przesuwał, ostatecznie dokonując odczytów w około czterdziestu miejscach. Ponownie przeanalizowali również naturalne fale sejsmiczne emanujące z Ziemi, które zostały zebrane przez inny zespół w celu scharakteryzowania podłoża skalnego, osadów i lodu.

Ich analiza wykazała, że ​​w zależności od lokalizacji osad rozciąga się poniżej podstawy lodowej od pół kilometra do prawie dwóch kilometrów przed uderzeniem w łupki. Potwierdzili, że osad po drodze był wypełniony ciekłą wodą. Naukowcy szacują, że po całkowitym wydobyciu utworzyłby słup wody o wysokości od 220 do 820 metrów — co najmniej 10 razy płytszy niż płytkie systemy hydrologiczne w obrębie i przy podstawie lodowej — a być może znacznie więcej. .

Woda słona przewodzi energię lepiej niż woda słodka, więc naukowcy byli w stanie wykazać, że woda gruntowa staje się bardziej słona wraz z głębokością. To ma sens, powiedział Key, ponieważ uważa się, że osady utworzyły się w środowisku morskim dawno temu. Wody oceanu mogły ostatnio dotrzeć do obszaru, który jest obecnie obszarem zajmowanym przez Whillans w ciepłym okresie około 5000 do 7000 lat temu, nasycając osady słoną wodą. Kiedy lód wrócił na swoje stopy, było oczywiste, że słodka woda topniejąca pod naciskiem z góry i tarciem o podstawę lodową została wyraźnie wepchnięta do górnych osadów. Key powiedział, że może nadal filtrować i mieszać dzisiaj.

Naukowcy twierdzą, że powolne odprowadzanie świeżej wody do osadów może zapobiegać gromadzeniu się wody u podstawy lodu. Może to działać jako ograniczenie ruchu lodu do przodu. Pomiary wykonane przez innych naukowców na linii lądowej prądów lodowych – w miejscu, w którym prądy lądowe spotykają się z pływającym szelfem lodowym – pokazują, że woda jest tam nieco mniej zasolona niż zwykła woda morska. Wskazuje to, że świeża woda przepływa przez osady do oceanu, ustępując miejsca większej ilości wody z roztopów i utrzymując stabilność systemu.

Jednak naukowcy twierdzą, że jeśli powierzchnia lodu jest zbyt cienka – co jest wyraźną możliwością w miarę ocieplania się klimatu – kierunek przepływu wody można odwrócić. Zawieszone ciśnienia zmniejszą się, a głębsze wody gruntowe mogą zacząć płynąć w kierunku podstawy lodowej. Może to zwiększyć smarowanie podstawy lodu i zwiększyć jej ruch do przodu. (Whillans już porusza się w kierunku morza około 1 metra dziennie – za szybko dla lodowców.) Co więcej, jeśli głęboka woda gruntowa płynie w górę, może odprowadzić ciepło geotermalne naturalnie wytwarzane w łupkach. Może to stopić podstawę lodu i popchnąć ją do przodu. Nie jest jednak jasne, czy iw jakim stopniu tak się stanie.

„Ostatecznie nie mamy znaczących ograniczeń w przepuszczalności osadów ani szybkości przepływu wody” – powiedział Gustafson. „Czy zrobi to dużą różnicę, która wywołałaby szybką reakcję? A może wody gruntowe odgrywają drugorzędną rolę w wielkim schemacie przepływu lodu?”

Naukowcy twierdzą, że znana obecność drobnoustrojów w płytkich osadach dodaje kolejną zmarszczkę. Jest prawdopodobne, że ten basen i inne były zamieszkane poniżej; A jeśli woda gruntowa zacznie się podnosić, usunie rozpuszczony węgiel, z którego korzystają te organizmy. Boczny przepływ wód gruntowych wyśle ​​następnie część tego węgla do oceanu. To zmieniłoby Antarktydę w wcześniej nierozważane źródło węgla w świecie, w którym już pływa. Ale znowu pytanie brzmi, czy będzie to miało znaczący wpływ, powiedział Gustafson.

Naukowcy twierdzą, że nowe badanie to dopiero początek odpowiedzi na te pytania. Napisali: „Potwierdzenie istnienia dynamiki głębokich wód gruntowych zmieniło nasze rozumienie zachowania prądów lodowcowych i zmusi nas do modyfikacji modeli wód subglacjalnych”.

Inni autorzy to Helen Fricker z Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry z Central Washington University, Ryan Ventorelli z Tulane University i Alexander Michaud z Bigelow Oceanographic Laboratory. Chloe Gustafson jest obecnie badaczem podoktoranckim w Scripps.

Odniesienie: „Dynamiczny system słonych wód gruntowych zmapowany w dół antarktycznego strumienia lodu” Chloe D. Gustafson, Keri K, Matthew R. Siegfried, J. Paul Winberry, Helen A. Fricker, Ryan A. maj 2022, Nauki ścisłe.
DOI: 10.1126 / science.abm3301