科学者たちは、南極の氷の下の堆積物に大規模な地下水システムを発見しました

以前はマッピングされていなかった貯水池が氷河を加速させ、炭素を放出する可能性がありました。

多くの研究者は、液体の水が氷河に見られる凍結形態の挙動を理解するための鍵であると信じています。 融雪水は砂利の基盤を柔らかくし、海への行進を加速することが知られています。 近年、南極の科学者は何百もの相互接続されたものを発見しました 液体の湖と川 氷自体の中で脅かされています。 彼らは、氷の下の堆積物の厚い盆地を撮影しました。これには、これまでで最大の貯水池が含まれている可能性があります。 しかし、これまで、氷の下の堆積物に大量の液体の水が存在することを確認した人は誰もいませんし、それが氷とどのように相互作用するかを調査したこともありません。

現在、研究チームは、西南極の深部堆積物に活発に循環する地下水の巨大なシステムを初めてマッピングしました。 彼らは、おそらく南極大陸で一般的であるそのようなシステムは、凍った大陸が気候変動にどのように反応するか、あるいはそれに寄与するかもしれないかについて、まだ未知の影響を与えるかもしれないと言います。 ジャーナルに研究を公開する 化学 2022年5月5日。

ウィランズ氷流の調査サイト。 電磁イメージングステーションは、2つの公共エリア（黄色のマーク）に設置されました。 チームは、赤い点で示されている他のタスクを実行するために、より広いエリアに移動しました。 画像をクリックすると拡大版が表示されます。 クレジット：ChloeGustafson提供

研究の筆頭著者であるクロエ・グスタフソンは、[{” 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.

2018年後半、USAF LC-130スキージェットが、ラモントドハティ地球物理学者ケリーキー、コロラド鉱山学校地球物理学者マシュージークフリート、およびウィランズの登山家メガンサイフェルトとともにグスタフソンを撃墜しました。 彼らの使命は、地表に直接配置された地球物理学的ツールを使用して、堆積物とその特性をより適切にマッピングすることです。 何かがうまくいかなかった場合、助けになるどころか、旅行、雪の掘り起こし、機械の植え付け、その他の数え切れないほどの雑用に6週間かかるでしょう。

チームは、惑星の大気で生成された自然の電磁エネルギーの地球への浸透を測定する磁気イメージングと呼ばれる技術を使用しました。 氷、堆積物、淡水、塩水、および岩盤は、さまざまな程度で電磁エネルギーを伝導します。 違いを測定することにより、研究者はさまざまなアイテムのMRIのようなマップを作成できます。 チームは、一度に1日ほど雪のピットにツールを植え、それを掘り起こして移動し、最終的には約40か所で測定値を取得しました。 彼らはまた、下にある岩、堆積物、氷を特徴づけるのを助けるために別のチームによって集められた地球から発する自然の地震波を再分析しました。

彼らの分析によると、場所によっては、堆積物が頁岩にぶつかる前に、氷底の下に0.5kmから2km近くまで広がっていることがわかりました。 彼らは、堆積物が途中で液体の水で満たされていることを確認しました。 研究者たちは、完全に抽出された場合、高さ220〜820メートルの水柱を形成すると推定しています。これは氷底内および氷底の浅い水文システムよりも少なくとも10倍浅く、おそらくそれ以上です。 。

塩水は淡水よりもエネルギーを伝導するので、地下水が深さとともに塩分を増すことを示すこともできました。 キー氏によると、堆積物ははるか昔に海洋環境で形成されたと考えられているため、これは理にかなっています。 海水は、約5,000〜7,000年前の温暖な時期に、現在のウィランが覆っている地域に最後に到達し、堆積物を塩水で飽和させた可能性があります。 氷が再び進んだとき、上からの圧力と氷底での摩擦によって溶けた淡水が明らかに上部の堆積物に押し込まれたことが明らかでした。 キーは、彼が今日もフィルタリングと混ざり続けるかもしれないと言いました。

研究者たちは、この淡水の堆積物へのゆっくりとした排水は、氷の底に水がたまるのを防ぐことができると言います。 これは、氷の前進の抑制として機能することができます。 氷流の固定電話（陸氷の流れが浮かぶ棚氷と出会う地点）で他の科学者が行った測定によると、そこの水は通常の海水よりも塩分がやや少ないことがわかります。 これは、淡水が堆積物を通って海に流れ込み、より多くの融雪水が入る道を作り、システムを安定させていることを示しています。

しかし、研究者たちは、氷の表面が薄すぎる場合（気候が温暖化するにつれて明確な可能性）、水の流れの方向を逆にすることができると言います。 中断された圧力が低下し、より深い地下水が氷の基盤に向かって流れ始める可能性があります。 これにより、氷床の潤滑性が高まり、前進運動が増える可能性があります。 （ウィランズはすでに1日あたり約1メートルの海に向かって移動しています。氷河には速すぎます。）さらに、深い地下水が上向きに流れると、頁岩で自然に発生する地熱を運び去ることができます。 これにより、氷の基盤が溶けて前方に押し出される可能性があります。 しかし、これが起こるかどうか、そしてどの程度起こるかは明らかではありません。

「最終的には、堆積物の浸透性や水が流れる速度に大きな制限はありません」とグスタフソン氏は述べています。 それは迅速な反応を生み出す大きな違いを生むでしょうか？ それとも、地下水は氷の流れの壮大な計画において小さな役割を果たしていますか？ 「」

研究者たちは、浅い堆積物に微生物が存在することがわかっていると、別のしわが増えると言います。 この盆地と他の盆地は下に住んでいた可能性があります。 そして、地下水が上昇し始めると、これらの生物が使用する溶存炭素を取り除きます。 横方向の地下水流は、この炭素の一部を海に送ります。 これにより、南極大陸は、すでに泳いでいる世界では、これまで考えられていなかった炭素源になります。 しかし、問題は、これが何らかの重大な影響を与えるかどうかということです、とグスタフソンは言いました。

研究者たちは、新しい研究はこれらの質問に答えるほんの始まりに過ぎないと言います。 彼らは次のように書いています。「深層地下水ダイナミクスの存在の確認は、氷河流の振る舞いについての私たちの理解を変え、氷河下の水モデルを修正することを私たちに強いるでしょう。」

他の著者は、スクリップス海洋研究所のヘレン・フリッカーです。 セントラルワシントン大学のPaulWinberry、Tulane大学のRyan Ventorelli、およびBigelowOceanographicLaboratoryのAlexanderMichaud。 Chloe Gustafsonは現在、Scrippsのポスドク研究員です。

参照：Chloe D. Gustafson、Keri K、Matthew R. Siegfried、Jによる「南極の氷流にマッピングされた塩水地下水の動的システム」。 ポール・ウィンベリー、ヘレン・A・フリッカー、ライアン・A。 2022年5月、 化学。
DOI：10.1126 / science.abm3301