Para ilmuwan telah menemukan sistem air tanah yang masif dalam sedimen di bawah es Antartika

Penulis utama Chloe Gustafson dan pendaki gunung Megan Seifert telah memasang instrumen geofisika untuk mengukur air tanah di bawah Aliran Es Whillans di Antartika Barat. Kredit: Observatorium Bumi Keri Kee/Lamont-Doherty

Waduk yang sebelumnya tidak pernah dipetakan dapat mempercepat gletser dan melepaskan karbon.

Banyak peneliti percaya bahwa air cair adalah kunci untuk memahami perilaku bentuk beku yang ditemukan di gletser. Diketahui bahwa air yang meleleh melunakkan dasar kerikil dan mempercepat perjalanannya menuju laut. Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan di Antartika menemukan ratusan yang saling berhubungan Danau dan sungai cair Terancam di dalam es itu sendiri. Mereka memotret cekungan sedimen yang tebal di bawah es, yang kemungkinan berisi reservoir air terbesar yang pernah ada. Tetapi sampai sekarang, tidak ada yang mengkonfirmasi keberadaan sejumlah besar air cair dalam sedimen di bawah es, juga belum menyelidiki bagaimana ia berinteraksi dengan es.

Sekarang, tim peneliti untuk pertama kalinya memetakan sistem besar sirkulasi air tanah yang aktif di sedimen dalam Antartika Barat. Mereka mengatakan sistem seperti itu, mungkin umum di Antartika, mungkin memiliki efek yang sampai sekarang tidak diketahui tentang bagaimana benua beku itu bereaksi, atau mungkin bahkan berkontribusi pada, perubahan iklim. Publikasikan penelitian di jurnal Sains Pada 5 Mei 2022.

Situs survei di Whillans Ice Stream. Stasiun pencitraan elektromagnetik didirikan di dua tempat umum (tanda kuning). Tim melakukan perjalanan ke area yang lebih luas untuk melakukan tugas lain, yang ditandai dengan titik merah. Klik pada gambar untuk melihat versi yang lebih besar. Kredit: Atas perkenan Chloe Gustafson

Penulis utama studi tersebut, Chloe Gustafson, yang melakukan penelitian sebagai mahasiswa pascasarjana di[{” 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.

Pada akhir 2018, sebuah jet ski USAF LC-130 menembak jatuh Gustafson, bersama dengan ahli geofisika Lamont Doherty Kerry Key, ahli geofisika Sekolah Pertambangan Colorado Matthew Siegfried, dan pendaki gunung Megan Seifert di Whillans. Misi mereka: memetakan sedimen dan propertinya dengan lebih baik menggunakan alat geofisika yang ditempatkan langsung di permukaan. Jauh dari bantuan apa pun jika terjadi kesalahan, itu akan memakan waktu enam minggu perjalanan yang melelahkan, menggali di salju, menanam mesin, dan tugas-tugas lain yang tak terhitung jumlahnya.

Tim menggunakan teknologi yang disebut pencitraan magnetik, yang mengukur penetrasi energi elektromagnetik alami yang dihasilkan di atmosfer planet ke Bumi. Es, sedimen, air tawar, air asin, dan batuan dasar menghantarkan energi elektromagnetik ke berbagai derajat; Dengan mengukur perbedaan, peneliti dapat membuat peta mirip MRI dari item yang berbeda. Tim menanam alat mereka di lubang salju selama sekitar satu hari, lalu menggali dan memindahkannya, akhirnya melakukan pembacaan di sekitar empat puluh lokasi. Mereka juga menganalisis kembali gelombang seismik alami yang berasal dari Bumi yang dikumpulkan oleh tim lain untuk membantu mengkarakterisasi batuan, sedimen, dan es yang mendasarinya.

Analisis mereka menunjukkan bahwa, tergantung pada lokasinya, sedimen meluas di bawah dasar es dari setengah kilometer hingga hampir dua kilometer sebelum menyentuh serpih. Mereka memastikan bahwa sedimen itu berisi air cair di sepanjang jalan. Para peneliti memperkirakan bahwa, jika diekstraksi sepenuhnya, itu akan membentuk kolom air setinggi 220 hingga 820 meter – setidaknya 10 kali lebih dangkal daripada sistem hidrologi dangkal di dalam dan di dasar es – dan mungkin lebih banyak lagi. .

Air asin menghantarkan energi lebih baik daripada air tawar, sehingga mereka juga mampu menunjukkan bahwa air tanah menjadi lebih asin dengan kedalaman. Ini masuk akal, kata Key, karena sedimen diyakini telah terbentuk di lingkungan laut sejak lama. Perairan laut mungkin terakhir mencapai apa yang sekarang menjadi daerah yang ditutupi oleh Whillans selama periode hangat sekitar 5.000 hingga 7.000 tahun yang lalu, memenuhi sedimen dengan air asin. Ketika es naik lagi, terbukti bahwa pencairan air tawar dari tekanan dari atas dan gesekan di dasar es jelas telah didorong ke sedimen atas. Key mengatakan dia mungkin terus menyaring dan berbaur hari ini.

Para peneliti mengatakan pengeringan air tawar yang lambat ke dalam sedimen dapat mencegah air terakumulasi di dasar es. Ini dapat bertindak sebagai pembatas pada pergerakan es ke depan. Pengukuran yang dilakukan oleh ilmuwan lain di jalur darat aliran es – titik di mana arus es darat bertemu dengan lapisan es yang mengambang – menunjukkan bahwa air di sana agak kurang asin daripada air laut biasa. Ini menunjukkan bahwa air tawar mengalir melalui sedimen ke laut, membuka jalan bagi lebih banyak air lelehan untuk masuk, dan menjaga sistem tetap stabil.

Namun, para peneliti mengatakan, jika permukaan es terlalu tipis – kemungkinan berbeda saat iklim menghangat – arah aliran air bisa dibalik. Tekanan tersuspensi akan berkurang, dan air tanah yang lebih dalam dapat mulai mengalir menuju dasar es. Ini dapat meningkatkan pelumasan dasar es dan meningkatkan gerakannya ke depan. (Whillans sudah bergerak menuju laut sekitar 1 meter per hari—terlalu cepat untuk gletser.) Selain itu, jika air tanah dalam mengalir ke atas, ia dapat membawa panas panas bumi yang secara alami dihasilkan dalam serpih. Ini dapat melelehkan dasar es dan mendorongnya ke depan. Tetapi apakah dan sejauh mana ini akan terjadi tidak jelas.

“Pada akhirnya, kami tidak memiliki batasan signifikan pada permeabilitas sedimen atau seberapa cepat air dapat mengalir,” kata Gustafson. Apakah itu akan membuat perbedaan besar yang akan menghasilkan reaksi cepat? Atau apakah air tanah memainkan peran kecil dalam skema besar aliran es? “

Para peneliti mengatakan keberadaan mikroba yang diketahui di sedimen dangkal menambah kerutan lain. Kemungkinan cekungan ini dan lainnya dihuni di bawah; Dan jika air tanah mulai naik, itu akan mengeluarkan karbon terlarut yang digunakan organisme ini. Aliran air tanah lateral kemudian akan mengirimkan sebagian karbon ini ke laut. Ini akan mengubah Antartika menjadi sumber karbon yang sebelumnya tidak dipertimbangkan di dunia yang sudah dimasukinya. Tapi pertanyaannya lagi adalah apakah ini akan membuat beberapa dampak yang signifikan, kata Gustafson.

Para peneliti mengatakan studi baru hanyalah awal dari menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Mereka menulis: “Konfirmasi keberadaan dinamika air tanah dalam telah mengubah pemahaman kita tentang perilaku arus glasial, dan akan memaksa kita untuk memodifikasi model air subglasial.”

Penulis lainnya adalah Helen Fricker dari Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry dari Central Washington University, Ryan Ventorelli dari Tulane University, dan Alexander Michaud dari Bigelow Oceanographic Laboratory. Chloe Gustafson sekarang menjadi peneliti postdoctoral di Scripps.

Referensi: “Sistem dinamis air tanah salin yang memetakan aliran es Antartika” oleh Chloe D. Gustafson, Keri K, Matthew R. Siegfried, J. Paul Winberry, Helen A. Fricker, Ryan A. Mei 2022, Sains.
DOI: 10.1126 / science.abm3301