دانشمندان یک سیستم عظیم آب زیرزمینی را در رسوبات زیر یخ قطب جنوب کشف کردند


کلویی گوستافسون و مگان سیفرت ابزارهای ژئوفیزیکی را نصب می کنند

کلویی گوستافسون، نویسنده اصلی و مگان سیفرت، کوهنورد، ابزارهای ژئوفیزیکی را برای اندازه‌گیری آب‌های زیرزمینی در زیر جریان یخی ویلانز قطب جنوب غربی نصب می‌کنند. اعتبار: کری کی/رصدخانه زمینی لامونت-دوهرتی

مخازن که قبلا نقشه برداری نشده بودند می توانستند یخچال های طبیعی را سرعت بخشند و کربن را آزاد کنند.

بسیاری از محققان بر این باورند که آب مایع کلیدی برای درک رفتار شکل یخ زده موجود در یخچال‌های طبیعی است. آب مذاب به عنوان روغن‌کاری پایه‌های شنی آن‌ها و تسریع حرکت آن‌ها به سمت دریا شناخته شده است. در سال‌های اخیر، دانشمندان در قطب جنوب صدها دریاچه و رودخانه مایع به هم پیوسته را در خود یخ کشف کرده‌اند. و آنها حوضه های ضخیمی از رسوبات را در زیر یخ به تصویر کشیده اند که به طور بالقوه حاوی بزرگترین مخازن آب از همه است. اما تاکنون هیچ کس وجود مقادیر زیادی آب مایع در رسوبات زیر یخ را تایید نکرده است و همچنین بررسی نکرده است که چگونه ممکن است با یخ برهمکنش داشته باشد.

اکنون، یک تیم تحقیقاتی برای اولین بار نقشه یک سیستم عظیم آب زیرزمینی در حال گردش فعال را در رسوبات عمیق در غرب قطب جنوب ترسیم کرده است. آنها می گویند که چنین سیستم هایی که احتمالاً در قطب جنوب رایج هستند، ممکن است پیامدهای ناشناخته ای برای نحوه واکنش قاره یخ زده به تغییرات آب و هوا و یا حتی کمک به آن داشته باشند. این تحقیق در مجله منتشر شد علوم پایه در ۵ می ۲۰۲۲.

مکان‌های نظرسنجی در جریان یخ Whillans

مکان‌های بررسی در جریان یخ Whillans. ایستگاه های تصویربرداری الکترومغناطیسی در دو ناحیه کلی (علامت گذاری زرد) راه اندازی شد. تیم به مناطق وسیع تری سفر کرد تا وظایف دیگری را انجام دهد که با نقاط قرمز نشان داده شده است. برای دیدن نسخه بزرگتر روی تصویر کلیک کنید. اعتبار: با حسن نیت کلوئه گوستافسون

کلوئه گوستافسون، نویسنده ارشد این مطالعه، که به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد این تحقیق را انجام داد، گفت: “مردم فرض کرده اند که می تواند آب های زیرزمینی عمیقی در این رسوبات وجود داشته باشد، اما تاکنون هیچ کس تصویربرداری دقیقی انجام نداده است.”[{” 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.

Matthew Siegfried Pulls Buried Electrode Wire

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.

در اواخر سال ۲۰۱۸، یک هواپیمای اسکی LC-130 نیروی هوایی ایالات متحده، گوستافسون را به همراه کری کی ژئوفیزیکدان لامونت-دوهرتی، متیو زیگفرید، ژئوفیزیکدان مدرسه معادن کلرادو، و کوهنورد مگان سیفرت در ویلانز به زمین انداخت. ماموریت آنها: ترسیم بهتر رسوبات و خواص آنها با استفاده از ابزارهای ژئوفیزیکی که مستقیماً روی سطح قرار می گیرند. اگر مشکلی پیش بیاید، به دور از هیچ کمکی، شش هفته طاقت فرسا، حفاری در برف، کاشت ابزار و کارهای بی‌شماری دیگر طول می‌کشد.

این تیم از تکنیکی به نام تصویربرداری مغناطیسی تلوریک استفاده کردند که میزان نفوذ انرژی الکترومغناطیسی طبیعی تولید شده در اتمسفر سیاره را به درون زمین اندازه‌گیری می‌کند. یخ، رسوبات، آب شیرین، آب شور و سنگ بستر همگی انرژی الکترومغناطیسی را به درجات مختلف هدایت می کنند. با اندازه گیری تفاوت ها، محققان می توانند نقشه هایی شبیه MRI از عناصر مختلف ایجاد کنند. این تیم سازهای خود را برای یک روز یا بیشتر در گودال های برفی کاشتند، سپس آنها را بیرون آوردند و آنها را جابجا کردند و در نهایت در حدود چهار ده مکان مطالعه کردند. آنها همچنین امواج لرزه‌ای طبیعی ساطع شده از زمین را که توسط تیم دیگری جمع‌آوری شده بود، مجدداً تجزیه و تحلیل کردند تا به تشخیص سنگ بستر، رسوبات و یخ کمک کنند.

تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که بسته به مکان، رسوبات زیر پایه یخ از نیم کیلومتر تا نزدیک به دو کیلومتر پیش از برخورد با سنگ بستر گسترش می یابد. و آنها تأیید کردند که رسوبات تا آخر با آب مایع بارگیری شده اند. محققان تخمین می‌زنند که اگر همه آن استخراج شود، یک ستون آبی با ارتفاع ۲۲۰ تا ۸۲۰ متر تشکیل می‌دهد – حداقل ۱۰ برابر بیشتر از سیستم‌های هیدرولوژیکی کم‌عمق در داخل و در پایه یخ – شاید حتی بسیار بیشتر از این. .

آب شور بهتر از آب شیرین انرژی را هدایت می کند، بنابراین آنها همچنین توانستند نشان دهند که آب های زیرزمینی با عمق شورتر می شوند. کی گفت این منطقی است، زیرا اعتقاد بر این است که رسوبات مدت ها پیش در یک محیط دریایی تشکیل شده اند. آب‌های اقیانوس احتمالاً آخرین بار در حدود ۵۰۰۰ تا ۷۰۰۰ سال پیش به محلی که اکنون تحت پوشش ویلان است، رسیده است و رسوبات را با آب نمک اشباع کرده است. هنگامی که یخ دوباره پیشرفت کرد، آب مذاب تازه تولید شده توسط فشار از بالا و اصطکاک در پایه یخ به وضوح به رسوبات بالایی منتقل شد. کی گفت که احتمالاً امروز به فیلتر کردن و ترکیب شدن ادامه می دهد.

محققان می گویند این تخلیه آهسته آب شیرین به داخل رسوبات می تواند از تجمع آب در پایه یخ جلوگیری کند. این می تواند به عنوان یک ترمز برای حرکت رو به جلو یخ عمل کند. اندازه‌گیری‌های دانشمندان دیگر در خط زمینی جریان یخ – نقطه‌ای که جریان یخ محصور در خشکی به قفسه یخی شناور برخورد می‌کند – نشان می‌دهد که شوری آب در آنجا تا حدودی کمتر از آب دریا معمولی است. این نشان می دهد که آب شیرین از طریق رسوبات به اقیانوس جریان دارد و فضای بیشتری را برای ورود آب ذوب بیشتر ایجاد می کند و سیستم را پایدار نگه می دارد.

با این حال، محققان می‌گویند، اگر سطح یخ بیش از حد نازک بود – احتمال مشخصی با گرم شدن آب و هوا – می‌توان جهت جریان آب را معکوس کرد. فشارهای بیش از حد کاهش می‌یابد و آب‌های زیرزمینی عمیق‌تر می‌توانند به سمت پایه یخی شروع به سرازیر شدن کنند. این می تواند پایه یخ را بیشتر روان کند و حرکت رو به جلو آن را افزایش دهد. (Whillans در حال حاضر حدود یک متر در روز یخ را به سمت دریا حرکت می کند – برای یخ های یخبندان بسیار سریع است). این می تواند پایه یخ را بیشتر ذوب کرده و آن را به جلو سوق دهد. اما اینکه آیا این اتفاق خواهد افتاد و تا چه حد، مشخص نیست.

گوستافسون گفت: «در نهایت، ما محدودیت زیادی برای نفوذپذیری رسوبات یا سرعت جریان آب نداریم.» «آیا تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند که واکنشی فراری ایجاد کند؟ یا آیا آب های زیرزمینی نقشی جزئی در طرح بزرگ جریان یخ دارند؟

محققان می گویند حضور شناخته شده میکروب ها در رسوبات کم عمق چین و چروک دیگری را اضافه می کند. این حوضه و سایر حوضه ها احتمالاً در پایین تر ساکن هستند. و اگر آب‌های زیرزمینی شروع به حرکت به سمت بالا کنند، کربن محلول مورد استفاده این موجودات را بالا می‌آورند. جریان جانبی آب زیرزمینی سپس مقداری از این کربن را به اقیانوس می فرستد. این امر احتمالاً قطب جنوب را به منبعی از کربن در دنیایی که قبلاً در آن شنا می کند تبدیل می کند. گوستافسون گفت، اما دوباره، سوال این است که آیا این تأثیر قابل توجهی خواهد داشت یا خیر.

به گفته محققان، مطالعه جدید فقط شروعی برای پرداختن به این سوالات است. آنها می نویسند: “تأیید وجود دینامیک آب های زیرزمینی عمیق، درک ما از رفتار جریان یخ را تغییر داده است و باعث اصلاح مدل های آب زیر یخبندان می شود.”

نویسندگان دیگر هلن فریکر از موسسه اقیانوس شناسی اسکریپس، جی. پل وینبری از دانشگاه مرکزی واشنگتن، رایان ونچرلی از دانشگاه تولین و الکساندر میچاد از آزمایشگاه علوم اقیانوسی بیگلو هستند. کلویی گوستافسون اکنون محقق فوق دکترا در اسکریپس است.

مرجع: “سیستم آب زیرزمینی شور پویا نقشه برداری شده در زیر جریان یخی قطب جنوب” توسط کلوئه دی. گوستافسون، کری کی، متیو آر. زیگفرید، جی. پل وینبری، هلن آ. فریکر، رایان ای. می ۲۰۲۲، علوم پایه.
DOI: 10.1126/science.abm3301