Die Seen, die sich auf den Eisschelfs der Antarktis bilden, können vertikale Risse tief in das Eis treiben, was die Wahrscheinlichkeit eines Einsturzes des Schelfeises und eines Anstiegs des Meeresspiegels erhöht. Wenn sich Schmelzwasser jedoch in bestimmten Bereichen ansammelt und schnell genug abfließt, kann es das Schelfeis trotz zunehmender Erwärmung vorübergehend stabilisieren, so die Forscher.
„Das Eis der Antarktis ist die größte potenzielle Quelle für den Anstieg des Meeresspiegels“, sagte Luke Trusel, Assistenzprofessor für Geographie an der Penn State University. „Ein erheblicher Prozentsatz der Weltbevölkerung lebt entlang der Küsten in vielen der größten Städte der Welt. Wir müssen verstehen, was mit Schelfeis passiert, um zuverlässige Vorhersagen über den Meeresspiegel treffen zu können. Wasser kann Schelfeis destabilisieren, also müssen wir wissen, wo das passiert Wasser ist und was es tut.“
Trusel und seine Kollegen nutzten Satellitendaten, um einen Schmelzwassersee zu untersuchen, der sich jährlich an der Grundlinie des Amery-Schelfeises in der Ostantarktis bildet. Die Grundlinie ist eine Zone, in der Landeis in ein schwimmendes Schelfeis übergeht, das verhindert, dass das Landeis in den Ozean fließt und den Meeresspiegel anhebt. Das Eis in diesem Bereich neigt dazu, einzutauchen und ein Becken zu bilden, das Wasser sammeln könnte.
Die Forscher fanden heraus, dass eine starke Gezeitenaktivität das wasserinduzierte Brechen oder Hydrobrechen an der Grundlinie erleichtern und dazu führen kann, dass der Schmelzwassersee schnell abfließt, oft in nur wenigen Tagen. Das schnelle Abfließen verhindert, dass sich mehr Wasser ansammelt und sich auf dem Schelfeis ausbreitet, wo Hydrofracturing das Einsturzrisiko erhöhen würde. Das Team berichtete über seine Ergebnisse, die die ersten Beobachtungen von Gezeiten sind, die möglicherweise eine großflächige Seeentwässerung erzwingen, in Geophysikalische Forschungsbriefe.
Die Forscher nutzten Daten der Satelliten Landsat 8 und Sentinel-1, um die Veränderungen des Sees während der Südsommer – Dezember bis Februar – von 2014 bis 2020 zu messen und zu verfolgen. Während eine gewöhnliche Kamera drei verschiedene Wellenlängen erfasst – Rot, Grün und Blau – Um ein Bild zu erstellen, können die Landsat 8-Instrumente bis zu 11 Spektralbänder einschließlich Infrarotlicht erfassen. Die Daten werden als Pixel zurückgegeben, die zur Kartierung von Eis, Wasser, Schnee und Wolkenbedeckung verwendet werden können.
Zhuolai Pan, ein Masterstudent in Geographie an der Penn State, der als Student mit dem Projekt begann, verwendete die Landsat-Bilder, um das Seevolumen zu berechnen und eine Zeitreihe zu erstellen, die zeigt, wie sich der See bildet und entwässert. Um die Zeitreihen zu verfeinern, verwendete das Team Daten von den Radarabbildungssensoren auf zwei Sentinel-1-Satelliten. Die Instrumente haben eine Auflösung von etwa 33 Fuß und können durch die Wolkendecke sehen, was wichtig ist, da die Küsten der Antarktis oft mehr Wolken als Sonne sehen können.
Eine 3D-Ansicht eines entwässerten Oberflächensees auf dem Amery-Schelfeis in der Ostantarktis. Das Video zeigt einen 26 Fuß tiefen und 800 Fuß breiten Krater, Eisblöcke, die in den Krater gepasst hätten, und einen mehr als 2.100 Fuß langen Bruch. Diese Details deuten darauf hin, dass das Wasser höchstwahrscheinlich vertikal etwa 2.000 Fuß durch das Eis abfloss. Bildnachweis: Luke Trusel, Penn State.
Der See ist ungefähr 2,3 Quadratmeilen groß und 65 Fuß tief und enthält fast 5 Milliarden Gallonen Wasser, genug Wasser, um fast 7.200 olympische Schwimmbecken zu füllen, so die Forscher.
„Es ist nicht der größte See, aber in Bezug auf seine Größe ist er beachtlich“, sagte Trusel. „Der interessantere Aspekt ist die Dynamik, wie sich das Wasser so schnell verändert und was das für unser Verständnis der Schelfeisstabilität bedeuten kann. Eine große Menge Wasser verschwindet einfach, und das fast jedes Jahr.“
Die Forscher untersuchten auch hochauflösende Satellitenbilder, die nach einem Entwässerungsereignis aufgenommen wurden. Die Bilder zeigten den Seeboden, wo das Team einen 26 Fuß tiefen und 800 Fuß breiten Krater, Eisblöcke, die in den Krater gepasst hätten, und einen mehr als 2.100 Fuß langen Bruch fand. Diese Details deuten darauf hin, dass das Wasser höchstwahrscheinlich vertikal etwa 2.000 Fuß durch das Eis abfloss.
„Dies ist die detaillierteste Ansicht eines frisch entwässerten Sees in der Antarktis, die wir je hatten“, sagte Trusel und merkte an, dass die Merkmale, die sie entdeckten, zuvor nur auf dem viel wärmeren und feuchteren grönländischen Eisschild beobachtet worden waren.
Entwässerungsereignisse traten in allen Jahren mit ausreichenden Beobachtungen und bei unterschiedlichen Seevolumina mindestens einmal jährlich auf. Angesichts der Tatsache, dass die Entwässerung bei unterschiedlichen Seevolumen und -tiefen sowie bei Neu- und Vollmond aufzutreten schien, glauben die Forscher, dass eine starke Gezeitenaktivität anstelle des Wasservolumens die treibende Kraft war.
Die Erde erfährt eine stärkere Gezeitenaktivität, wenn sich Erde, Mond und Sonne ausrichten, sagte Trusel. Weil sie im Ozean schwimmen, sind Schelfeis der Gezeitenaktivität ausgesetzt. Höhere Fluten zwingen das Schelfeis dazu, sich nach oben zu biegen und Spannungen an der Basis des Eises zu erzeugen, die einen Bruch verursachen könnten. Niedrigere Gezeiten zwingen das Schelfeis dazu, sich nach unten zu biegen, wodurch diese Spannungen auf die Oberfläche des Eises übertragen werden und möglicherweise den Bruch verlängern. Das Gewicht des Wassers an der Oberfläche könnte dazu führen, dass sich der Bruch durch das Schelfeis ausbreitet, bis sich eine Öffnung bildet und den See entwässert.
„Die Gezeiten biegen das Schelfeis an der Grundlinie“, sagte Trusel. „Das Eis wirkt wie ein Türscharnier, wobei Spannungen an der Ober- und Unterseite des Eises auftreten, genau dort, wo dieser See existiert.“
Wissenschaftler haben angenommen, dass Wasser an der Oberfläche ein Vorläufer für den Zusammenbruch des Schelfeises ist. Sie beobachteten das Phänomen, als das Larsen-B-Schelfeis im Jahr 2002 einstürzte. Frühere Landsat-Daten zeigen jedoch, dass sich der See in der aktuellen Studie bereits in den 1970er Jahren gebildet hat, sagte Pan. Viele der Seen, die heute das Schelfeis sprenkeln, erscheinen auch auf Luftaufnahmen, die kurz nach dem Zweiten Weltkrieg von der US-Marine aufgenommen wurden.
„Wenn wir uns Beobachtungen aus älteren Luftbildern und Satellitendaten ansehen, sehen wir, dass ein Großteil dieses Wassers schon seit einiger Zeit vorhanden ist, und daher gibt es hier mehr Nuancen“, sagte Trusel. „Wasser und Eis können in manchen Fällen koexistieren. Wir müssen noch mehr darüber wissen, wie sich das genau auf die Stabilität des Schelfeises auswirkt.“
Als nächstes wollen die Wissenschaftler untersuchen, ob andere Seen in der Region durch Gezeitentätigkeit entwässert werden. Die aktuelle Studie werfe viele Fragen auf, sagte Trusel, aber sie stelle den jüngsten Schritt dar, um die Stabilität des Schelfeises besser zu verstehen und wie schnell die Meere in Zukunft ansteigen werden.
Mahsa Moussavi, ein formeller Postdoktorand am National Snow and Ice Data Center und jetzt bei General Motors, trug ebenfalls zu der Studie bei.
Luke D. Trusel et al., Wiederholte gezeitenbedingte Hydrofraktur eines Supraglazialen Sees in der Erdungszone des Amery-Schelfeises, Geophysikalische Forschungsbriefe (2022). DOI: 10.1029/2021GL095661