Seismiske signaler giver forskere mulighed for at se under flodis

Flodforskere fra Sverige, Finland og Tyskland rapporterer detaljerede målinger af sedimentbevægelser og vandstand i en isdækket flod ved hjælp af en ny teknik - seismiske signaler. Resultaterne er offentliggjort i Journal of Geophysical Research:Earth Surface .

"Vi var også i stand til at afgøre, om isopbrydningen var forårsaget af langsom smeltning eller bevægelse af isblokke, ved at detektere seismiske signaler om issprækkelse og bestemme hvornår de opstår i forhold til isopbrydningen, siger Lina Polvi Sjöberg, lektor ved Umeå Universitet.

Sedimenttransport i floder påvirker levesteder for akvatiske organismer og biogeokemiske kredsløb. Indtil nu, måling af sedimenttransport i isdækkede floder har været næsten umulig at foretage med almindelige teknikker, da vi ikke kan se under isen.

"Normalt, vi kan måle vandhastigheder og sedimenttransport ved at vade i floden eller bruge en båd, men at foretage disse afgørende målinger på en isdækket flod er logistisk udfordrende og kan være ekstremt farligt, hvis isen er for tynd til at gå på, eller når isen er ved at bryde op, " siger Lina Polvi Sjöberg.

Stillet over for disse logistiske udfordringer, forskerholdet brugte en mest almindeligt anvendt metode til at studere jordskælv:seismiske signaler. Denne teknik er blevet brugt i en håndfuld undersøgelser i de sidste fem år til at studere flodprocesser, men det er første gang, det er blevet brugt til at studere en isdækket flod.

Ifølge Eliisa Lotsari, lektor ved University of Eastern Finland og en af ​​medforfatterne, denne nye anvendelse af seismologi åbner døre til at besvare spørgsmål om, hvordan isdækkede floder dannes og ændres, som tidligere var en sort boks.

"Fordi timingen og længden af ​​isdække på nordlige floder vil ændre sig med et opvarmende klima, det er særligt vigtigt at måle og forstå, hvordan floddynamikken adskiller sig under isdækkede kontra isfrie forhold og under forskellige typer af isopbrud, " hun siger.

Kontinuerlige observationer af sedimenttransport er nødvendige i hele den isdækkede strøm, opbrud og isfri perioder, for bedre at validere prognoserne for fremtidige ændringer i de nordlige floder. Da isopbrud kan være den mest dynamiske tidsperiode for nordlige floder, forårsager hurtig erosion af flodkanaler og farer for oversvømmelser, det er også vigtigt at være i stand til at afgøre, om isopbrydning sker via roligere smeltning eller dynamisk issprængning.

Forskerholdet udførte deres undersøgelse af Sävar-floden, omkring 60 kilometer nordvest for Umeå i det nordlige Sverige, i løbet af vinteren 2018. Tre geofoner, seismometre på størrelse med knytnæve, blev begravet i jorden 10 til 40 meter væk fra flodkanalen og registrerede eventuelle små jordvibrationer. Ved at analysere frekvensen, intensitet, og mønstre af signalerne, forskerne kunne fortolke, hvad der forårsager signalerne, herunder vandturbulens, bevægelse af sand og grus på flodsengen, og is-knækker.

Tidspunktet for issprækkelse gjorde det muligt for dem at fortolke, om isopbrydningen er termisk og forårsaget af langsom smeltning eller mekanisk, der er forårsaget af isblokke, der knækker. Isrevner forekommer hele den isdækkede vinter, men hvis antallet af isrevner pludselig stiger lige før isen forsvinder, så er opbruddet mekanisk, og hvis hastigheden forbliver den samme lige indtil opbruddet, så er det termisk. I undersøgelsesperioden i 2018 på Sävar-floden, isopbrydningen var termisk indtil den sidste dag for opbrud, hvor der var en stigning i antallet af isrevner, og forskerne observerede afbrudte isblokke.

"Denne minimalt invasive teknik giver os mulighed for at have sekund for sekund dækning af alle processer i og omkring floden, så når du først lærer at fortolke de forskellige signaler, er det som at have nogen siddende på stedet og optage endnu mere, end vi kan se med vores øjne, " siger Lina Polvi Sjöberg.