Vandblærernes stigning og fald giver et glimt under Grønlands tykke indlandsis

Vand "blærer" fanget under det tykke indre af Grønlands indlandsis kan give kritisk indsigt i det hydrologiske netværk, der løber dybt under Jordens næststørste islegeme - og hvordan det kan blive destabiliseret af klimaændringer, ifølge en ny undersøgelse.

Hvert år, tusindvis af naturlige smeltevandssøer dannes på overfladen af ​​indlandsisens højtliggende indre, hvor isen kan være mere end en halv mil tyk. Når disse søer dræner, de danner store vandfyldte hulrum mellem isen og grundfjeldet.

Ved at kombinere feltobservationer med matematiske modeller og laboratorieforsøg, Princeton University-ledede forskere opdagede, at disse blærer skubber isens overflade opad, derefter få det til at falde gradvist ned, efterhånden som vandet trænger ind i det subglaciale drænsystem, ifølge en rapport i bladet Naturkommunikation .

Holdet viser for første gang, at stigningen og faldet af indlandsisen forårsaget af hurtig sødræning kan bruges til at estimere en egenskab kendt som transmissivitet, som kendetegner effektiviteten af ​​de vandnetværk, der dannes mellem isen og grundfjeldet. Sødræning præsenterer et nyt værktøj til at måle transmissivitet under indlandsområder af indlandsisen, hvor transmissivitet ellers er svær at måle, rapporterede forskerne. De fandt ud af, at transmissiviteten kan stige med så meget som to størrelsesordener i Grønlands sommersmeltesæson.

Resultaterne kan kaste lys over, hvordan klimaændringer vil påvirke Grønlands enorme frosne indre, efterhånden som planeten opvarmes og overfladesmeltningen øges, sagde førsteforfatter Ching-Yao Lai, en assisterende professor i geovidenskab og atmosfæriske og oceaniske videnskaber ved Princeton. Vand fra overfladesmeltning kan fungere som smøremiddel, hun sagde, får gletsjeren til at glide lettere hen over grundfjeldet.

Eksisterende forskning har vist, at en væsentlig måde, hvorpå overfladesmeltning kan påvirke stabiliteten af ​​den grønlandske indlandsis, er ved at smeltevand smører indlandsisen. sagde Lai. Størstedelen af ​​disse undersøgelser, imidlertid, har fokuseret på lavtliggende områder, hvor indlandsisen er tyndere. Tidligere undersøgelser har også antydet, at øget overfladesmeltning kunne accelerere hastigheden af ​​højhøjden, indvendig iskappe, men disse resultater er baseret på beregningsmodeller, frem for observationer, sagde Lai.

Papiret i Naturkommunikation giver en sjælden, observationsbaseret indblik i de stort set utilgængelige vandnetværk, der ligger til grund for Grønlands højtliggende indlandsis. Undersøgelsen blev støttet af Princetons High Meadows Environmental Institute (HMEI) og HMEI Carbon Mitigation Initiative.

"Vi ved, at når klimaet bliver varmere i fremtiden, overfladesmeltezonen kan udvide sig og migrere til højere højder end i øjeblikket observeret. Et stort spørgsmål, der mangler at blive besvaret, imidlertid, er, hvor meget transmissivitet kan øges længere inde i landet, " sagde Lai, der er tilknyttet fakultetsmedlem i HMEI.

"En potentiel påvirkning er, at forbindelsen mellem overfladesmeltning og udvikling af subglacial vandnetværk kan aktiveres ikke kun i lavere højder, som i øjeblikket observeret, men også i højere højder, " sagde hun. "Flere observationer af sæsonbestemte ændringer af subglacial transmissivitet som reaktion på overfladesmeltning ville være nødvendige for virkelig at forstå, hvad der ville ske, når smelten migrerer til højereliggende områder."

Medforfattere til papiret fra Princeton er HMEI-associeret fakultetsmedlem Howard Stone, Princetons Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor i maskin- og rumfartsteknik og formand for maskin- og rumfartsteknik, og Danielle Chase, en kandidatstuderende i Stone's Complex Fluids Group.

Studiets medforfattere inkluderede også Laura Stevens, en lektor i klima- og jordoverfladeprocesser ved University of Oxford, som har stor erfaring med at studere søafvanding og isdynamik. Stevens hjalp med at indsamle feltobservationerne i Grønland sammen med medforfatterne Mark Behn, en lektor i jord- og miljøvidenskab ved Boston College, og Sarah Das, en associeret videnskabsmand ved Woods Hole Oceanographic Institution. Timothy Creyts fra Lamont-Doherty Earth Observatory ved Columbia University er også medforfatter på undersøgelsen.

Forskerne brugte GPS-data og feltobservationer af fem sødræningshændelser, der fandt sted mellem 2006-12, til at estimere drænvolumen og til at observere overfladeforskydninger forårsaget af sødræning og efterfølgende blæredannelse.

"Vi observerede i GPS-dataene en lang række af afslapningstider for løft af indlandsisen efter de fem dræningshændelser, " sagde Stevens. "Vi havde en anelse om, at denne spredning i afslapningstider kunne være tegn på nogle karakteristika ved det subglaciale dræningssystem. Vores forståelse blev væsentligt forbedret, da dette samarbejde mellem forskere med ekspertise inden for observation, teoretiske og eksperimentelle tilgange katalyseret."

Chase - der modtog en HMEI Walbridge Fund Graduate Award for at studere væskedrevet frakturering - designede derefter en række eksperimenter ved hjælp af en type silikone, der efterligner den deformerbare is, der ligger over et porøst materiale, der repræsenterer grundfjeldet. Hun injicerede væske mellem det deformerbare ark og det porøse underlag, observere den tid, det tog for en blister at danne og derefter dræne ind i det porøse substrat. Arbejder med Stone og Lai, Chase udviklede også en matematisk model, der forklarer den fysik, der styrer overfladeløft og afslapning på grund af dannelse af vandblærer. Hendes arbejde er emnet for et papir, der for nylig blev accepteret af tidsskriftet Physical Review Fluids.

"Eksperimenter kan være nyttige, fordi i laboratoriet, vi kan kontrollere og måle alle parametre i systemet, hvilket gjorde det muligt for os at teste vores model, " sagde Chase. "Vi kan også vælge ideelle materialer. Systemet er lille nok til at kunne holdes i én hånd, og materialet er gennemsigtigt, så vi var i stand til direkte at observere formen af ​​blæren og dræningen ind i det porøse substrat over tid."

Undersøgelsen er unik for at bruge laboratorieforsøg til at undersøge naturlige processer som blæredannelse, der er svære at analysere i felten, hvor forskerne ikke kan kontrollere parametrene.

"Det er værdifuldt at have laboratoriemodeller for bedre at forstå mekanismerne bag de komplekse formændringer, der opstår i naturen, " sagde Stone. "Her, laboratorieeksperimenterne fangede de vigtigste mekaniske træk observeret i felten og hjalp os med at forstå afslapningen af ​​indlandsisen, når vandet dræner langs gletsjerbunden."

Papiret, "Hydraulisk transmissivitet udledt af afslapning af indlandsisen efter dræning af grønlandsk supraglacial sø, " blev offentliggjort 25. juni i Naturkommunikation .