Water "blaren" die vastzitten onder het dikke binnenste van de Groenlandse ijskap kunnen kritisch inzicht geven in het hydrologische netwerk dat diep onder het op een na grootste ijslichaam van de aarde stroomt - en hoe het kan worden gedestabiliseerd door klimaatverandering, volgens een nieuwe studie.

Elk jaar, duizenden natuurlijke smeltwatermeren vormen zich op het oppervlak van het hooggelegen binnenland van de ijskap, waar ijs meer dan een halve mijl dik kan zijn. Terwijl deze meren leeglopen, ze vormen grote met water gevulde holtes tussen het ijs en het gesteente.

Door veldwaarnemingen te combineren met wiskundige modellen en laboratoriumexperimenten, Door Princeton University geleide onderzoekers ontdekten dat deze blaren het oppervlak van het ijs omhoog duwen, laat het dan geleidelijk naar beneden vallen als het water doordringt in het subglaciale drainagesysteem, volgens een bericht in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het team laat voor het eerst zien dat de opkomst en ondergang van de ijskap, veroorzaakt door snelle afwatering van meren, kan worden gebruikt om een ​​eigenschap te schatten die bekend staat als doorlaatbaarheid, die kenmerkend is voor de efficiëntie van de waternetwerken die zich vormen tussen het ijs en het gesteente. Afwatering van meren biedt een nieuw hulpmiddel voor het meten van de doorlaatbaarheid onder inlandse gebieden van de ijskap, waar de doorlaatbaarheid anders moeilijk te meten is, meldden de onderzoekers. Ze ontdekten dat de doorlaatbaarheid tijdens het smeltseizoen van Groenland met wel twee orden van grootte kan toenemen.

De bevindingen kunnen licht werpen op hoe klimaatverandering het uitgestrekte bevroren binnenland van Groenland zal beïnvloeden naarmate de planeet opwarmt en het smelten van het oppervlak toeneemt, zei eerste auteur Ching-Yao Lai, een assistent-professor geowetenschappen en atmosferische en oceanische wetenschappen aan Princeton. Water uit het smelten van het oppervlak kan als smeermiddel werken, ze zei, waardoor de gletsjer gemakkelijker over het gesteente glijdt.

Bestaand onderzoek heeft aangetoond dat een belangrijke manier waarop het smelten van het oppervlak de stabiliteit van de Groenlandse ijskap beïnvloedt, is door smeltwater de ijslaag te smeren, zei Lay. Het merendeel van deze onderzoeken, echter, hebben zich gericht op laaggelegen gebieden waar de ijskap dunner is. Eerdere studies hebben ook gesuggereerd dat verhoogde oppervlaktesmelting de snelheid van de hoge hoogte zou kunnen versnellen, binnenste ijskap, maar deze bevindingen zijn gebaseerd op computermodellen, in plaats van waarnemingen, zei Lay.

het papier binnen Natuurcommunicatie zorgt voor een zeldzame, op observatie gebaseerde blik in de grotendeels ontoegankelijke waternetwerken die ten grondslag liggen aan de hooggelegen ijskap van Groenland. De studie werd ondersteund door Princeton's High Meadows Environmental Institute (HMEI) en het HMEI Carbon Mitigation Initiative.

"We weten dat als het klimaat in de toekomst warmer wordt, de oppervlaktesmeltzone kan uitzetten en migreren naar grotere hoogten dan momenteel wordt waargenomen. Een grote vraag die nog moet worden beantwoord, echter, is hoeveel doorlaatbaarheid verder landinwaarts kan toenemen, " zei Lay, die een geassocieerd faculteitslid is in HMEI.

"Een mogelijke impact is dat het verband tussen oppervlaktesmelting en subglaciale waternetwerkontwikkeling niet alleen op lagere hoogten kan worden geactiveerd, zoals momenteel waargenomen, maar ook op grotere hoogte, "zei ze. "Er zouden meer waarnemingen van seizoensveranderingen van subglaciale doorlaatbaarheid als reactie op het smelten van het oppervlak nodig zijn om echt te begrijpen wat er zou gebeuren als smelt naar hoger gelegen gebieden migreert."

Co-auteurs van het artikel uit Princeton zijn HMEI-geassocieerd faculteitslid Howard Stone, Donald R. Dixon '69 van Princeton en Elizabeth W. Dixon, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek en voorzitter van mechanische en ruimtevaarttechniek, en Daniëlle Chase, een afgestudeerde student in Stone's Complex Fluids Group.

De co-auteurs van de studie waren ook Laura Stevens, een universitair hoofddocent klimaat- en aardoppervlakprocessen aan de Universiteit van Oxford, die uitgebreide ervaring heeft met het bestuderen van de drainage van meren en ijsdynamiek. Stevens hielp bij het verzamelen van de veldwaarnemingen in Groenland met co-auteurs Mark Behn, een universitair hoofddocent aard- en milieuwetenschappen aan Boston College, en Sarah Das, een associate scientist bij Woods Hole Oceanographic Institution. Timothy Creyts van het Lamont-Doherty Earth Observatory aan de Columbia University is ook co-auteur van het onderzoek.

De onderzoekers gebruikten GPS-gegevens en veldwaarnemingen van vijf afwateringsgebeurtenissen die plaatsvonden tussen 2006-12 om het drainagevolume te schatten en om oppervlakteverplaatsingen te observeren die werden veroorzaakt door de drainage van het meer en de daaropvolgende blaarvorming.

"We hebben in de GPS-gegevens een breed scala aan ontspanningstijden voor het opstijgen van de ijskap waargenomen na de vijf drainagegebeurtenissen, " zei Stevens. "We hadden een vermoeden dat deze spreiding in relaxatietijden een aanwijzing zou kunnen zijn voor een of ander kenmerk van het subglaciale drainagesysteem. Ons begrip is aanzienlijk verbeterd omdat deze samenwerking tussen onderzoekers met expertise in observationeel, theoretische en experimentele benaderingen gekatalyseerd."

Chase - die een HMEI Walbridge Fund Graduate Award ontving om door vloeistof aangedreven breuken te bestuderen - ontwierp vervolgens een reeks experimenten met een soort siliconen dat het vervormbare ijs nabootst dat bovenop een poreus materiaal ligt dat het fundament vertegenwoordigt. Ze injecteerde vloeistof tussen de vervormbare plaat en het poreuze substraat, rekening houdend met de tijd die nodig is om een ​​blaar te vormen en vervolgens uit te lekken in het poreuze substraat. Werken met Stone en Lai, Chase ontwikkelde ook een wiskundig model dat de fysica verklaart die de opheffing en ontspanning van het oppervlak als gevolg van de vorming van waterblaasjes regelt. Haar werk is het onderwerp van een paper dat onlangs is goedgekeurd door het tijdschrift Physical Review Fluids.

"Experimenten kunnen nuttig zijn omdat, in het labortorium, we kunnen alle parameters in het systeem controleren en meten, waarmee we ons model konden testen, " zei Chase. "We kunnen ook ideale materialen kiezen. Het systeem is klein genoeg om in één hand te worden vastgehouden en het materiaal is transparant, dus we waren in staat om de vorm van de blister en de drainage in de poreuze ondergrond in de loop van de tijd direct te observeren."

De studie is uniek omdat laboratoriumexperimenten worden gebruikt om natuurlijke processen, zoals blaarvorming, te onderzoeken die moeilijk te analyseren zijn in het veld waar onderzoekers de parameters niet kunnen controleren.

"Het is waardevol om laboratoriummodellen te hebben om de mechanismen achter de complexe vormveranderingen die in de natuur voorkomen beter te begrijpen, ' zei Stone. 'Hier, de laboratoriumexperimenten legden de belangrijkste mechanische kenmerken vast die in het veld werden waargenomen en hielpen ons de ontspanning van de ijskap te begrijpen terwijl het water langs de gletsjerbodem wegstroomt."

De krant, "Hydraulische doorlaatbaarheid afgeleid van de ontspanning van de ijskap na de afwatering van het supraglaciale meer van Groenland, " werd gepubliceerd op 25 juni in Natuurcommunicatie .