In Sedimenten unter dem antarktischen Eis entdecken Wissenschaftler ein riesiges Grundwassersystem

Viele Wissenschaftler sagen, dass flüssiges Wasser ein Schlüssel zum Verständnis des Verhaltens der in Gletschern gefundenen gefrorenen Form ist. Schmelzwasser ist dafür bekannt, ihre kiesigen Basen zu schmieren und ihren Marsch in Richtung Meer zu beschleunigen. In den letzten Jahren haben Forscher in der Antarktis Hunderte von miteinander verbundenen flüssigen Seen und Flüssen entdeckt, die im Eis selbst eingeschlossen sind. Und sie haben dicke Sedimentbecken unter dem Eis abgebildet, die möglicherweise die größten Wasserreservoirs von allen enthalten. Aber bisher hat niemand das Vorhandensein großer Mengen flüssigen Wassers in Sedimenten unter dem Eis bestätigt oder untersucht, wie es mit dem Eis interagieren könnte.

Nun hat ein Team erstmals ein riesiges, aktiv zirkulierendes Grundwassersystem in tiefen Sedimenten der Westantarktis kartiert. Sie sagen, dass solche Systeme, die wahrscheinlich in der Antarktis weit verbreitet sind, noch unbekannte Auswirkungen darauf haben könnten, wie der gefrorene Kontinent auf den Klimawandel reagiert oder möglicherweise sogar dazu beiträgt. Die Forschung erscheint heute in der Zeitschrift Wissenschaft.

„Die Leute haben die Hypothese aufgestellt, dass es in diesen Sedimenten tiefes Grundwasser geben könnte, aber bis jetzt hat noch niemand detaillierte Aufnahmen gemacht“, sagte die Hauptautorin der Studie, Chloe Gustafson, die die Forschung als Doktorandin an der Columbia University durchführte Lamont-Doherty-Erdobservatorium. „Die Menge an Grundwasser, die wir gefunden haben, war so bedeutend, dass sie wahrscheinlich Eisstromprozesse beeinflusst. Jetzt müssen wir mehr herausfinden und herausfinden, wie wir das in Modelle integrieren können.“

Wissenschaftler haben jahrzehntelang Radargeräte und andere Instrumente über die antarktische Eisdecke geflogen, um unterirdische Merkmale abzubilden. Neben vielen anderen Dingen haben diese Missionen Sedimentbecken freigelegt, die zwischen Eis und Grundgestein eingebettet sind. Aber die luftgestützte Geophysik kann im Allgemeinen nur die groben Umrisse solcher Merkmale offenbaren, nicht den Wassergehalt oder andere Merkmale. In einer Ausnahme, eine Studie aus dem Jahr 2019 der McMurdo Dry Valleys in der Antarktis nutzten helikoptergestützte Instrumente, um einige hundert Meter subglaziales Grundwasser unter etwa 350 Metern Eis zu dokumentieren. Aber die meisten der bekannten Sedimentbecken der Antarktis sind viel tiefer und das meiste Eis ist viel dicker, außerhalb der Reichweite von Luftinstrumenten. An einigen Stellen haben Forscher das Eis in Sedimente gebohrt, sind aber nur auf den ersten Metern vorgedrungen. Daher umfassen Modelle des Eisschildverhaltens nur hydrologische Systeme innerhalb oder direkt unter dem Eis.

Das ist ein großer Mangel; Die meisten der ausgedehnten Sedimentbecken der Antarktis liegen unterhalb des aktuellen Meeresspiegels, eingekeilt zwischen festgesteinsgebundenem Landeis und schwimmenden marinen Eisschelfs, die den Kontinent säumen. Es wird angenommen, dass sie sich während warmer Perioden, als der Meeresspiegel höher war, auf dem Meeresboden gebildet haben. Wenn sich die Schelfeise in einem sich erwärmenden Klima zurückziehen würden, könnte Ozeanwasser wieder in die Sedimente eindringen, und die dahinter liegenden Gletscher könnten nach vorne eilen und den Meeresspiegel weltweit anheben.

Die Forscher in der neuen Studie konzentrierten sich auf die Breite von 60 Meilen Whillans-Eisstrom, einer von einem halben Dutzend schnell fließender Bäche, die das Ross-Schelfeis speisen, das größte der Welt, etwa so groß wie das kanadische Yukon-Territorium. Frühere Forschungen haben einen subglazialen See im Eis und ein sich darunter erstreckendes Sedimentbecken aufgedeckt. Flaches Bohren in den ersten Fuß oder so von Sedimenten hat flüssiges Wasser und eine blühende Gemeinschaft von Mikroben hervorgebracht. Aber was weiter unten liegt, war ein Rätsel.

Ende 2018 setzte ein LC-130-Skiflugzeug der US Air Force Gustafson zusammen mit dem Geophysiker Kerry Key von Lamont-Doherty, dem Geophysiker Matthew Siegfried von der Colorado School of Mines und der Bergsteigerin Meghan Seifert auf den Whillans ab. Ihre Mission: die Sedimente und ihre Eigenschaften mit direkt an der Oberfläche platzierten geophysikalischen Instrumenten besser zu kartieren. Weit weg von jeder Hilfe, wenn etwas schief ging, würden sie sechs anstrengende Wochen des Reisens, des Grabens im Schnee, des Pflanzens von Instrumenten und unzähliger anderer Aufgaben benötigen.

Das Team verwendete eine Technik namens Magnetotelluric Imaging, die das Eindringen natürlicher elektromagnetischer Energie in die Erde misst, die hoch oben in der Atmosphäre des Planeten erzeugt wird. Eis, Sedimente, Süßwasser, Salzwasser und Grundgestein leiten elektromagnetische Energie in unterschiedlichem Maße; Durch Messen der Unterschiede können Forscher MRI-ähnliche Karten der verschiedenen Elemente erstellen. Das Team pflanzte seine Instrumente jeweils etwa einen Tag lang in Schneegruben, grub sie dann aus und verlegte sie um, um schließlich an etwa vier Dutzend Orten Messungen vorzunehmen. Sie analysierten auch erneut natürliche seismische Wellen, die von der Erde ausgehen und von einem anderen Team gesammelt wurden, um dabei zu helfen, Grundgestein, Sediment und Eis zu unterscheiden.

Ihre Analyse zeigte, dass sich die Sedimente je nach Standort zwischen einem halben Kilometer und fast zwei Kilometer unter der Eisbasis erstrecken, bevor sie auf das Grundgestein treffen. Und sie bestätigten, dass die Sedimente bis in die Tiefe mit flüssigem Wasser beladen sind. Die Forscher schätzen, dass, wenn es vollständig abgebaut würde, es eine Wassersäule von 220 bis 820 Metern Höhe bilden würde – mindestens zehnmal mehr als in den flachen hydrologischen Systemen innerhalb und an der Basis des Eises – vielleicht sogar noch viel mehr .

Salzwasser leitet Energie besser als Süßwasser, sodass sie auch zeigen konnten, dass das Grundwasser mit zunehmender Tiefe salzhaltiger wird. Key sagte, dies sei sinnvoll, da angenommen wird, dass sich die Sedimente vor langer Zeit in einer Meeresumgebung gebildet haben. Ozeanwasser erreichte wahrscheinlich zuletzt während einer Warmzeit vor etwa 5.000 bis 7.000 Jahren das Gebiet, das heute von den Whillans bedeckt ist, und sättigte die Sedimente mit Salzwasser. Als das Eis wieder vorrückte, wurde offenbar durch Druck von oben und Reibung am Eissockel frisches Schmelzwasser in die oberen Sedimente gedrückt. Es wird wahrscheinlich auch heute noch nach unten gefiltert und eingemischt, sagte Key.

Die Forscher sagen, dass dieses langsame Abfließen von Süßwasser in die Sedimente verhindern könnte, dass sich Wasser an der Basis des Eises ansammelt. Dies könnte die Vorwärtsbewegung des Eises bremsen. Messungen anderer Wissenschaftler an der Aufsetzlinie des Eisstroms – dem Punkt, an dem der landgebundene Eisstrom auf das schwimmende Schelfeis trifft – zeigen, dass das Wasser dort etwas weniger salzig ist als normales Meerwasser. Dies deutet darauf hin, dass Süßwasser durch die Sedimente in den Ozean fließt, Platz für mehr Schmelzwasser schafft und das System stabil hält.

Die Forscher sagen jedoch, wenn die Eisoberfläche zu dünn wäre – eine eindeutige Möglichkeit, wenn sich das Klima erwärmt – könnte die Richtung des Wasserflusses umgekehrt werden. Der darüber liegende Druck würde abnehmen und tieferes Grundwasser könnte beginnen, in Richtung der Eisbasis aufzusteigen. Dies könnte die Basis des Eises weiter schmieren und seine Vorwärtsbewegung erhöhen. (Die Whillans bewegen Eis bereits etwa einen Meter pro Tag seewärts – sehr schnell für Gletschereis.) Außerdem könnte, wenn tiefes Grundwasser nach oben fließt, die im Grundgestein natürlich erzeugte geothermische Wärme nach oben transportiert werden; Dies könnte die Basis des Eises weiter auftauen und es vorwärts treiben. Aber ob und in welchem ​​Umfang, ist noch nicht klar.

„Letztendlich haben wir keine großen Einschränkungen hinsichtlich der Durchlässigkeit der Sedimente oder der Fließgeschwindigkeit des Wassers“, sagte Gustafson. „Würde es einen großen Unterschied machen, der eine außer Kontrolle geratene Reaktion hervorrufen würde? Oder spielt das Grundwasser im großen Schema des Eisflusses eine untergeordnete Rolle?“

Das bekannte Vorhandensein von Mikroben in den flachen Sedimenten fügt eine weitere Falte hinzu, sagen die Forscher. Dieses Becken und andere sind wahrscheinlich weiter unten bewohnt; und wenn sich das Grundwasser nach oben bewegt, würde es den von diesen Organismen verbrauchten gelösten Kohlenstoff nach oben bringen. Ein seitlicher Grundwasserstrom würde dann einen Teil dieses Kohlenstoffs in den Ozean leiten. Dies würde die Antarktis womöglich zu einer bisher unbeachteten Kohlenstoffquelle in einer bereits darin schwimmenden Welt machen. Aber auch hier stellt sich die Frage, ob dies einen signifikanten Effekt haben würde, sagte Gustafon.

Die neue Studie ist nur ein Anfang, um diese Fragen zu beantworten, sagen die Forscher. „Die Bestätigung der Existenz der Dynamik des tiefen Grundwassers hat unser Verständnis des Verhaltens von Eisströmen verändert und wird eine Modifikation der subglazialen Wassermodelle erzwingen“, schreiben sie.

Die anderen Autoren sind Helen Fricker von der Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry von der Central Washington University, Ryan Venturelli von der Tulane University und Alexander Michaud vom Bigelow Laboratory for Ocean Sciences. Chloe Gustafson ist jetzt Postdoktorandin bei Scripps.