Wissenschaftler haben in Sedimenten unter dem antarktischen Eis ein riesiges Grundwassersystem entdeckt

Die Hauptautorin Chloe Gustafson und die Bergsteigerin Megan Seifert haben geophysikalische Instrumente installiert, um das Grundwasser unterhalb des Whillans-Eisstroms in der Westantarktis zu messen. Bildnachweis: Keri Kee/Lamont-Doherty Earth Observatory

Bisher nie kartierte Stauseen könnten Gletscher beschleunigen und Kohlenstoff freisetzen.

Viele Forscher glauben, dass flüssiges Wasser der Schlüssel zum Verständnis des Verhaltens der in Gletschern gefundenen gefrorenen Form ist. Es ist bekannt, dass Schmelzwasser seine Kiesböden aufweicht und seinen Marsch Richtung Meer beschleunigt. In den letzten Jahren entdeckten Wissenschaftler in der Antarktis Hunderte von miteinander verbundenen Flüssige Seen und Flüsse Innerhalb des Eises selbst bedroht. Sie fotografierten dicke Sedimentbecken unter dem Eis, die wahrscheinlich die größten Wasserreservoirs aller Zeiten enthalten. Aber bis jetzt hat niemand das Vorhandensein signifikanter Mengen flüssigen Wassers in den Sedimenten unter dem Eis bestätigt oder untersucht, wie es mit dem Eis interagiert.

Nun hat ein Forscherteam erstmals ein riesiges System von aktiv zirkulierendem Grundwasser in den tiefen Sedimenten der Westantarktis kartiert. Sie sagen, dass solche Systeme, die möglicherweise in der Antarktis üblich sind, bisher unbekannte Auswirkungen darauf haben könnten, wie der gefrorene Kontinent auf den Klimawandel reagiert oder vielleicht sogar dazu beiträgt. Veröffentlichen Sie die Forschung in der Zeitschrift Wissenschaft Am 5. Mai 2022.

Vermessungsstandorte auf dem Whillans-Eisstrom. In zwei öffentlichen Bereichen (gelbe Markierungen) wurden elektromagnetische Bildgebungsstationen eingerichtet. Das Team reiste in weitere Gebiete, um andere Aufgaben durchzuführen, die durch die roten Punkte gekennzeichnet sind. Klicken Sie auf das Bild, um eine größere Version zu sehen. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Chloe Gustafson

Die Hauptautorin der Studie, Chloe Gustafson, die die Forschung als Doktorandin bei[{“ 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.

Ende 2018 schoss ein LC-130-Skijet der USAF Gustafson zusammen mit dem Geophysiker Kerry Key von Lamont Doherty, dem Geophysiker Matthew Siegfried von der Colorado School of Mines und der Bergsteigerin Megan Seifert auf Whillans ab. Ihre Mission: die Sedimente und ihre Eigenschaften mit geophysikalischen Werkzeugen, die direkt an der Oberfläche platziert werden, besser zu kartieren. Weit weg von jeder Hilfe, wenn etwas schief ging, würde es sechs zermürbende Wochen des Reisens, des Grabens im Schnee, des Pflanzens von Maschinen und unzähliger anderer Aufgaben dauern.

Das Team verwendete eine Technologie namens Magnetbildgebung, die das Eindringen natürlicher elektromagnetischer Energie, die in der Atmosphäre des Planeten erzeugt wird, in die Erde misst. Eis, Sediment, Süßwasser, Salzwasser und Grundgestein leiten elektromagnetische Energie in unterschiedlichem Maße; Durch die Messung der Unterschiede können Forscher MRT-ähnliche Karten verschiedener Gegenstände erstellen. Das Team pflanzte seine Werkzeuge jeweils etwa einen Tag lang in Schneegruben, grub sie dann aus und bewegte sie, um schließlich an etwa vierzig Orten Messungen vorzunehmen. Sie analysierten auch erneut natürliche seismische Wellen, die von der Erde ausgehen und von einem anderen Team gesammelt wurden, um bei der Charakterisierung des darunter liegenden Gesteins, Sediments und Eises zu helfen.

Ihre Analyse zeigte, dass sich das Sediment je nach Standort einen halben Kilometer bis fast zwei Kilometer unter der Eisbasis erstreckt, bevor es auf den Schiefer trifft. Sie bestätigten, dass das Sediment unterwegs mit flüssigem Wasser gefüllt war. Die Forscher schätzen, dass es bei vollständiger Extraktion eine Wassersäule von 220 bis 820 Metern Höhe bilden würde – mindestens zehnmal flacher als die flachen hydrologischen Systeme innerhalb und an der Eisbasis – und möglicherweise noch viel mehr. .

Salzwasser leitet Energie besser als Süßwasser, sodass sie auch zeigen konnten, dass Grundwasser mit zunehmender Tiefe salziger wird. Dies sei sinnvoll, sagte Key, da angenommen wird, dass sich die Sedimente vor langer Zeit in einer Meeresumgebung gebildet haben. Ozeanwasser hat möglicherweise zuletzt vor etwa 5.000 bis 7.000 Jahren während einer Warmzeit das Gebiet erreicht, das heute von Whillans bedeckt ist, und die Sedimente mit Salzwasser gesättigt. Als das Eis wieder vorrückte, zeigte sich, dass das durch den Druck von oben und die Reibung an der Eisbasis geschmolzene Süßwasser eindeutig in die oberen Sedimente gedrückt worden war. Key sagte, er könne heute weiter filtern und sich vermischen.

Die Forscher sagen, dass dieses langsame Abfließen von Süßwasser in das Sediment verhindern kann, dass sich Wasser an der Basis des Eises ansammelt. Dies kann als Bremse für die Vorwärtsbewegung des Eises wirken. Messungen anderer Wissenschaftler an der Landlinie des Eisstroms – dem Punkt, an dem die Landeisströmung auf das schwimmende Schelfeis trifft – zeigen, dass das Wasser dort etwas weniger salzhaltig ist als normales Meerwasser. Dies weist darauf hin, dass Süßwasser durch das Sediment in den Ozean fließt, Platz für mehr Schmelzwasser macht und das System stabil hält.

Die Forscher sagen jedoch, wenn die Oberfläche des Eises zu dünn ist – eine eindeutige Möglichkeit, wenn sich das Klima erwärmt – kann die Richtung des Wasserflusses umgekehrt werden. Der Schwebedruck nimmt ab und tieferes Grundwasser kann beginnen, in Richtung der Eisbasis zu fließen. Dies kann die Schmierung der Eisbasis erhöhen und ihre Vorwärtsbewegung erhöhen. (Whillans bewegt sich bereits etwa 1 Meter pro Tag auf das Meer zu – zu schnell für Gletscher.) Außerdem kann tiefes Grundwasser, wenn es nach oben fließt, die im Schiefer natürlich erzeugte geothermische Wärme abtransportieren. Dies kann die Eisbasis schmelzen und nach vorne drücken. Ob und in welchem ​​Umfang dies geschehen wird, ist jedoch nicht klar.

„Letztendlich haben wir keine wesentlichen Einschränkungen hinsichtlich der Durchlässigkeit von Sedimenten oder der Fließgeschwindigkeit des Wassers“, sagte Gustafson. Würde es einen großen Unterschied machen, der eine schnelle Reaktion hervorrufen würde? Oder spielt das Grundwasser im großen Schema des Eisflusses eine untergeordnete Rolle? „

Die Forscher sagen, dass das bekannte Vorhandensein von Mikroben in den flachen Sedimenten eine weitere Falte hinzufügt. Es ist wahrscheinlich, dass dieses Becken und andere unten bewohnt waren; Und wenn das Grundwasser zu steigen beginnt, nimmt es den gelösten Kohlenstoff auf, den diese Organismen nutzen. Der seitliche Grundwasserstrom wird dann einen Teil dieses Kohlenstoffs in den Ozean leiten. Dies würde die Antarktis zu einer bisher unbeachteten Kohlenstoffquelle in einer Welt machen, in der sie bereits schwimmt. Aber die Frage ist wieder, ob dies einen signifikanten Einfluss haben wird, sagte Gustafson.

Die Forscher sagen, dass die neue Studie nur der Anfang ist, um diese Fragen zu beantworten. Sie schrieben: „Die Bestätigung der Existenz von Tiefengrundwasserdynamiken hat unser Verständnis des Verhaltens von Gletscherströmungen verändert und wird uns zwingen, subglaziale Wassermodelle zu modifizieren.“

Weitere Autoren sind Helen Fricker von der Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry von der Central Washington University, Ryan Ventorelli von der Tulane University und Alexander Michaud vom Bigelow Oceanographic Laboratory. Chloe Gustafson ist jetzt Postdoktorandin bei Scripps.

Referenz: „Ein dynamisches System aus salzhaltigem Grundwasser, kartiert entlang eines antarktischen Eisstroms“ von Chloe D. Gustafson, Keri K, Matthew R. Siegfried, J. Paul Winberry, Helen A. Fricker, Ryan A. Mai 2022, Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / science.abm3301