Wetenschappers hebben een enorm grondwatersysteem ontdekt in sedimenten onder Antarctisch ijs

Hoofdauteur Chloe Gustafson en bergbeklimmer Megan Seifert hebben geofysische instrumenten geïnstalleerd om het grondwater onder de Whillans-ijsstroom in West-Antarctica te meten. Krediet: Keri Kee/Lamont-Doherty Earth Observatory

Nooit eerder in kaart gebrachte reservoirs kunnen gletsjers versnellen en koolstof vrijgeven.

Veel onderzoekers geloven dat vloeibaar water de sleutel is om het gedrag van de bevroren vorm in gletsjers te begrijpen. Het is bekend dat smeltwater zijn grindbodems zachter maakt en zijn mars naar de zee versnelt. De afgelopen jaren hebben wetenschappers op Antarctica honderden onderling verbonden Vloeibare meren en rivieren Bedreigd in het ijs zelf. Ze fotografeerden dikke bassins met sediment onder het ijs, die waarschijnlijk de grootste waterreservoirs ooit bevatten. Maar tot nu toe heeft niemand de aanwezigheid van significante hoeveelheden vloeibaar water in de sedimenten onder het ijs bevestigd, noch heeft het onderzocht hoe het in wisselwerking staat met het ijs.

Nu heeft een onderzoeksteam voor het eerst een enorm systeem van actief circulerend grondwater in de diepe sedimenten van West-Antarctica in kaart gebracht. Ze zeggen dat dergelijke systemen, die mogelijk veel voorkomen op Antarctica, tot nu toe onbekende effecten kunnen hebben op hoe het bevroren continent reageert op, of kan bijdragen aan, klimaatverandering. Publiceer het onderzoek in het tijdschrift Wetenschap Op 5 mei 2022.

Onderzoekssites op Whillans Ice Stream. In twee openbare ruimtes werden elektromagnetische beeldvormingsstations opgesteld (gele markeringen). Het team reisde naar grotere gebieden om andere taken uit te voeren, aangegeven door de rode stippen. Klik op de afbeelding om een ​​grotere versie te zien. Krediet: met dank aan Chloe Gustafson

De hoofdauteur van de studie, Chloe Gustafson, die het onderzoek uitvoerde als een afgestudeerde student aan[{” 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.

Eind 2018 schoot een USAF LC-130 skijet Gustafson neer, samen met Lamont Doherty geofysicus Kerry Key, Colorado School of Mines geofysicus Matthew Siegfried en bergbeklimmer Megan Seifert op Whillans. Hun missie: de sedimenten en hun eigenschappen beter in kaart brengen met behulp van geofysische instrumenten die direct op het oppervlak zijn geplaatst. Verre van enige hulp als er iets mis zou gaan, zou het zes slopende weken reizen, graven in de sneeuw, machines planten en talloze andere klusjes vergen.

Het team gebruikte een technologie genaamd magnetische beeldvorming, die de penetratie meet van natuurlijke elektromagnetische energie die wordt gegenereerd in de atmosfeer van de planeet in de aarde. IJs, sediment, zoet water, zout water en gesteente geleiden elektromagnetische energie in verschillende mate; Door de verschillen te meten, kunnen onderzoekers MRI-achtige kaarten van verschillende items maken. Het team plantte hun gereedschap ongeveer een dag per dag in sneeuwkuilen, groef ze op en verplaatste ze, en nam uiteindelijk metingen op ongeveer veertig locaties. Ze analyseerden ook de natuurlijke seismische golven die van de aarde kwamen en die door een ander team werden verzameld om de onderliggende rots, sediment en ijs te karakteriseren.

Hun analyse toonde aan dat, afhankelijk van de locatie, het sediment zich onder de ijsbasis uitstrekt van een halve kilometer tot bijna twee kilometer voordat het de schalie raakt. Ze bevestigden dat het sediment onderweg was gevuld met vloeibaar water. De onderzoekers schatten dat het, indien volledig geëxtraheerd, een waterkolom zou vormen van 220 tot 820 meter hoog – minstens 10 keer ondieper dan de ondiepe hydrologische systemen in en aan de ijsbasis – en mogelijk nog veel meer. .

Zout water geleidt energie beter dan zoet water, waardoor ze ook konden aantonen dat grondwater zouter wordt met de diepte. Dit is logisch, zei Key, omdat wordt aangenomen dat de sedimenten lang geleden in een marien milieu zijn gevormd. Het oceaanwater heeft misschien voor het laatst bereikt wat nu het gebied is dat door Whillans wordt bedekt tijdens een warme periode van ongeveer 5.000 tot 7.000 jaar geleden, waarbij de sedimenten werden verzadigd met zout water. Toen het ijs weer optrok, was het duidelijk dat het zoete water dat door de druk van bovenaf en de wrijving aan de ijsbasis smolt, duidelijk in de bovenste sedimenten was geduwd. Key zei dat hij vandaag zou kunnen blijven filteren en zich vermengen.

De onderzoekers zeggen dat deze langzame afvoer van zoet water in het sediment kan voorkomen dat water zich ophoopt aan de voet van het ijs. Dit kan de voorwaartse beweging van het ijs belemmeren. Metingen van andere wetenschappers aan de vaste lijn van de ijsstroom – het punt waar de landijsstroom de drijvende ijsplaat raakt – laten zien dat het water daar iets minder zout is dan normaal zeewater. Dit geeft aan dat zoet water door het sediment in de oceaan stroomt, waardoor er meer smeltwater kan binnendringen en het systeem stabiel blijft.

De onderzoekers zeggen echter dat als het oppervlak van het ijs te dun is – een duidelijke mogelijkheid als het klimaat opwarmt – de richting van de waterstroom kan worden omgekeerd. De zwevende druk zal afnemen en dieper grondwater kan naar de ijsbasis beginnen te stromen. Dit kan de smering van de ijsbasis verhogen en de voorwaartse beweging ervan vergroten. (Whillans beweegt zich al ongeveer 1 meter per dag in de richting van de zee – te snel voor gletsjers.) Bovendien, als diep grondwater naar boven stroomt, kan het de aardwarmte afvoeren die van nature in schalie wordt gegenereerd. Dit kan de ijsbasis doen smelten en naar voren duwen. Maar of en in welke mate dit zal gebeuren, is niet duidelijk.

“Uiteindelijk hebben we geen significante beperkingen op de doorlaatbaarheid van sediment of hoe snel het water kan stromen,” zei Gustafson. Zou het een enorm verschil maken dat er snel gereageerd zou worden? Of speelt grondwater een ondergeschikte rol in het grote geheel van ijsstroming? “

De onderzoekers zeggen dat de bekende aanwezigheid van microben in de ondiepe sedimenten een nieuwe rimpel toevoegt. Het is waarschijnlijk dat dit bassin en anderen beneden werden bewoond; En als het grondwater begint te stijgen, haalt het de opgeloste koolstof eruit die deze organismen gebruiken. Laterale grondwaterstroming zal dan een deel van deze koolstof naar de oceaan sturen. Dit zou Antarctica veranderen in een voorheen ondoordachte koolstofbron in een wereld waarin het al zwemt. Maar de vraag is opnieuw of dit een significante impact zal hebben, zei Gustafson.

De onderzoekers zeggen dat de nieuwe studie slechts het begin is van het beantwoorden van deze vragen. Ze schreven: “Bevestiging van het bestaan ​​van diepe grondwaterdynamiek heeft ons begrip van het gedrag van ijsstromen veranderd en zal ons dwingen om subglaciale watermodellen aan te passen.”

Andere auteurs zijn Helen Fricker van de Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry van Central Washington University, Ryan Ventorelli van Tulane University en Alexander Michaud van Bigelow Oceanographic Laboratory. Chloe Gustafson is nu een postdoctoraal onderzoeker bij Scripps.

Referentie: “Een dynamisch systeem van zout grondwater in kaart gebracht in een Antarctische ijsstroom” door Chloe D. Gustafson, Keri K, Matthew R. Siegfried, J. Paul Winberry, Helen A. Fricker, Ryan A. mei 2022, Wetenschap.
DOI: 10.1126 / science.abm3301