اكتشف العلماء نظامًا هائلاً للمياه الجوفية في الرواسب تحت جليد القطب الجنوبي

قام المؤلف الرئيسي كلوي جوستافسون ومتسلقة الجبال ميغان سيفرت بتركيب أدوات جيوفيزيائية لقياس المياه الجوفية أسفل تيار ويلانز الجليدي في غرب أنتاركتيكا. الائتمان: كيري كي / مرصد لامونت دوهرتي الأرض

يمكن للخزانات التي لم يتم تعيينها من قبل أن تسرع الأنهار الجليدية وتطلق الكربون.

يعتقد العديد من الباحثين أن الماء السائل هو مفتاح لفهم سلوك الشكل المتجمد الموجود في الأنهار الجليدية. من المعروف أن المياه الذائبة تعمل على تليين قواعدها الحصوية وتسريع مسيرتها نحو البحر. في السنوات الأخيرة ، اكتشف العلماء في القارة القطبية الجنوبية مئات من المترابطة البحيرات والأنهار السائلة مهددة داخل الجليد نفسه. وقد قاموا بتصوير أحواض سميكة من الرواسب تحت الجليد ، والتي من المحتمل أن تحتوي على أكبر خزانات المياه على الإطلاق. لكن حتى الآن ، لم يؤكد أحد وجود كميات كبيرة من الماء السائل في الرواسب تحت الجليد ، ولم يبحث في كيفية تفاعلها مع الجليد.

الآن ، قام فريق بحثي ولأول مرة بتعيين نظام ضخم للمياه الجوفية المتداولة بنشاط في الرواسب العميقة في غرب القارة القطبية الجنوبية. يقولون إن مثل هذه الأنظمة ، التي ربما تكون شائعة في القارة القطبية الجنوبية ، قد يكون لها آثار غير معروفة حتى الآن على كيفية تفاعل القارة المتجمدة مع تغير المناخ ، أو ربما تساهم فيه. نشر البحث في المجلة علم في 5 مايو 2022.

مواقع المسح على تيار ويلانز الجليدي. تم إنشاء محطات التصوير الكهرومغناطيسي في منطقتين عامتين (العلامات الصفراء). سافر الفريق إلى مناطق أوسع لأداء مهام أخرى ، موضحة بالنقاط الحمراء. انقر على الصورة لرؤية نسخة أكبر. الائتمان: مجاملة كلوي جوستافسون

قال المؤلف الرئيسي للدراسة ، كلوي جوستافسون ، الذي أجرى البحث كطالب دراسات عليا في[{” 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.

https://www.youtube.com/watch؟v=qt1veAPMUd0

في أواخر عام 2018 ، أسقطت طائرة تزلج تابعة للقوات الجوية الأمريكية LC-130 جوستافسون ، جنبًا إلى جنب مع لامونت دوهرتي الجيوفيزيائي كيري كي ، والجيوفيزيائي في مدرسة كولورادو للمناجم ماثيو سيغفريد ، ومتسلقة الجبال ميغان سيفرت على ويلانز. مهمتهم: رسم خريطة أفضل للرواسب وخصائصها باستخدام أدوات جيوفيزيائية توضع مباشرة على السطح. بعيدًا عن أي مساعدة إذا حدث خطأ ما ، سيستغرق الأمر ستة أسابيع مرهقة من السفر ، والحفر في الثلج ، وزرع الآلات ، وعدد لا يحصى من الأعمال الروتينية.

استخدم الفريق تقنية تسمى التصوير المغناطيسي ، والتي تقيس تغلغل الطاقة الكهرومغناطيسية الطبيعية المتولدة في الغلاف الجوي للكوكب في الأرض. يقوم الجليد ، والرواسب ، والمياه العذبة ، والمياه المالحة ، وصخور الأساس بتوصيل الطاقة الكهرومغناطيسية بدرجات مختلفة ؛ من خلال قياس الاختلافات ، يمكن للباحثين إنشاء خرائط تشبه التصوير بالرنين المغناطيسي للعناصر المختلفة. قام الفريق بزرع أدواتهم في حفر ثلجية لمدة يوم أو نحو ذلك في كل مرة ، ثم حفرها ونقلها ، وفي النهاية أخذ قراءات في حوالي أربعين موقعًا. قاموا أيضًا بإعادة تحليل الموجات الزلزالية الطبيعية المنبثقة من الأرض والتي تم جمعها بواسطة فريق آخر للمساعدة في تمييز الصخور الأساسية والرواسب والجليد.

أظهر تحليلهم أنه ، اعتمادًا على الموقع ، تمتد الرواسب أسفل قاعدة الجليد من نصف كيلومتر إلى ما يقرب من كيلومترين قبل أن تضرب الصخر الصخري. وأكدوا أن الرواسب مليئة بالمياه السائلة على طول الطريق. يقدر الباحثون أنه إذا تم استخراجه بالكامل ، فسيشكل عمودًا مائيًا من ارتفاع 220 إلى 820 مترًا – على الأقل 10 مرات أكثر من النظم الهيدرولوجية الضحلة داخل وقاعدة الجليد – وربما أكثر من ذلك بكثير. .

توصل المياه المالحة الطاقة بشكل أفضل من المياه العذبة ، لذلك تمكنوا أيضًا من إظهار أن المياه الجوفية تصبح أكثر ملوحة مع العمق. قال كي إن هذا أمر منطقي ، لأن الرواسب يعتقد أنها تشكلت في بيئة بحرية منذ فترة طويلة. ربما وصلت مياه المحيط آخر مرة إلى ما يعرف الآن بالمنطقة التي يغطيها ويلانز خلال فترة دافئة منذ حوالي 5000 إلى 7000 عام ، مما أدى إلى تشبع الرواسب بالمياه المالحة. عندما تقدم الجليد مرة أخرى ، كان من الواضح أن المياه العذبة الذائبة الناتجة عن الضغط من الأعلى والاحتكاك في القاعدة الجليدية قد دفعت بوضوح إلى الرواسب العليا. قال كي إنه ربما يستمر في التصفية والاختلاط اليوم.

يقول الباحثون إن هذا التصريف البطيء للمياه العذبة في الرواسب يمكن أن يمنع الماء من التراكم في قاعدة الجليد. هذا يمكن أن يكون بمثابة كبح على الحركة الأمامية للجليد. تُظهر القياسات التي أجراها علماء آخرون عند الخط الأرضي للتيار الجليدي – النقطة التي يلتقي فيها التيار الجليدي الأرضي بالجرف الجليدي العائم – أن الماء هناك أقل ملوحة إلى حد ما من مياه البحر العادية. يشير هذا إلى أن المياه العذبة تتدفق عبر الرواسب إلى المحيط ، مما يفسح المجال لمزيد من المياه الذائبة للدخول ، ويحافظ على استقرار النظام.

ومع ذلك ، يقول الباحثون ، إذا كان سطح الجليد رقيقًا جدًا – وهو احتمال واضح مع ارتفاع درجة حرارة المناخ – يمكن عكس اتجاه تدفق المياه. ستنخفض الضغوط المعلقة ، ويمكن أن تبدأ المياه الجوفية الأعمق في التدفق نحو القاعدة الجليدية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة تزييت قاعدة الجليد وزيادة حركته إلى الأمام. (يتحرك ويلانز بالفعل في اتجاه البحر حوالي متر واحد في اليوم – سريعًا جدًا بالنسبة للجليد الجليدي.) علاوة على ذلك ، إذا كانت المياه الجوفية العميقة تتدفق إلى أعلى ، فيمكن أن تحمل الحرارة الجوفية المتولدة بشكل طبيعي في الصخر الصخري. قد يؤدي ذلك إلى إذابة قاعدة الجليد ودفعه للأمام. لكن ما إذا كان هذا سيحدث وإلى أي مدى فهذا غير واضح.

قال جوستافسون: “في النهاية ، ليس لدينا قيود كبيرة على نفاذية الرواسب أو مدى سرعة تدفق المياه”. هل سيحدث فرقًا كبيرًا من شأنه أن يولد رد فعل سريعًا؟ أم أن المياه الجوفية تلعب دور ثانوي في المخطط الكبير لتدفق الجليد؟ “

يقول الباحثون إن الوجود المعروف للميكروبات في الرواسب الضحلة يضيف تجعدًا آخر. من المحتمل أن يكون هذا الحوض وغيره مأهولة في الأسفل ؛ وإذا بدأت المياه الجوفية في الارتفاع ، فستخرج الكربون المذاب الذي تستخدمه هذه الكائنات الحية. سيرسل تدفق المياه الجوفية الجانبي بعد ذلك بعضًا من هذا الكربون إلى المحيط. هذا من شأنه أن يحول القارة القطبية الجنوبية إلى مصدر للكربون لم يتم النظر فيه حتى الآن في عالم يسبح فيه بالفعل. قال جوستافسون ، لكن السؤال مرة أخرى هو ما إذا كان هذا سيحدث بعض التأثير المهم.

يقول الباحثون إن الدراسة الجديدة هي مجرد بداية للإجابة على هذه الأسئلة. كتبوا: “إن تأكيد وجود ديناميكيات المياه الجوفية العميقة قد غيّر فهمنا لسلوك التيارات الجليدية ، وسيجبرنا على تعديل نماذج المياه تحت الجليدية”.

المؤلفون الآخرون هم هيلين فريكر من معهد سكريبس لعلوم المحيطات ، وج. بول وينبيري من جامعة واشنطن المركزية ، ورايان فينتوريلي من جامعة تولين ، وألكسندر ميشود من مختبر بيجلو لعلوم المحيطات. كلوي جوستافسون هي الآن باحثة ما بعد الدكتوراه في Scripps.

المرجع: “نظام ديناميكي للمياه الجوفية المالحة تم رسمه أسفل مجرى جليدي في القطب الجنوبي” بقلم كلوي دي جوستافسون ، كيري كي ، ماثيو آر سيغفريد ، ج. بول وينبيري ، هيلين أ.فريكر ، رايان أ. أيار (مايو) 2022 ، علم.
DOI: 10.1126 / science.abm3301