과학자들은 남극 얼음 아래 퇴적물에서 거대한 지하수 시스템을 발견했습니다

수석 저자인 Chloe Gustafson과 등산가 Megan Seifert는 남극 서부의 Whillans Ice Stream 아래 지하수를 측정하기 위해 지구 물리학 기기를 설치했습니다. 출처: Keri Kee/Lamont-Doherty 지구 천문대

이전에는 지도에 표시되지 않은 저수지가 빙하를 가속하고 탄소를 방출할 수 있습니다.

많은 연구자들은 액체 상태의 물이 빙하에서 발견되는 얼어붙은 형태의 거동을 이해하는 열쇠라고 믿습니다. 녹은 물은 자갈 바닥을 부드럽게하고 바다를 향한 행진을 가속화하는 것으로 알려져 있습니다. 최근 몇 년 동안 남극 대륙의 과학자들은 수백 개의 상호 연결된 액체 호수와 강 얼음 자체 내에서 위협. 그들은 지금까지 가장 큰 물 저장고를 포함하고 있을 가능성이 있는 얼음 아래의 두꺼운 퇴적물 분지를 촬영했습니다. 그러나 지금까지 아무도 얼음 아래 퇴적물에 상당한 양의 액체 물이 있는지 확인하지 않았으며 얼음과 어떻게 상호 작용하는지 조사하지도 않았습니다.

이제 연구팀은 처음으로 서부 남극 대륙의 깊은 퇴적물에서 활발하게 순환하는 지하수의 거대한 시스템을 매핑했습니다. 그들은 남극 대륙에서 흔히 볼 수 있는 그러한 시스템이 얼어붙은 대륙이 기후 변화에 어떻게 반응하거나 기여할 수 있는지에 대해 아직 알려지지 않은 영향을 미칠 수 있다고 말합니다. 저널에 연구 발표 과학 2022년 5월 5일.

Whillans Ice Stream에 대한 조사 사이트. 전자기 이미징 스테이션은 두 개의 공공 장소(노란색 표시)에 설치되었습니다. 팀은 빨간색 점으로 표시된 다른 작업을 수행하기 위해 더 넓은 지역으로 이동했습니다. 이미지를 클릭하시면 더 큰 버전으로 보실 수 있습니다. 크레딧: 의례 클로이 구스타프슨

이 연구의 주저자인 클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson)은 대학원생으로 연구를 수행했습니다.[{” 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.

2018년 말, USAF LC-130 스키 제트기가 Lamont Doherty 지구 물리학자 Kerry Key, Colorado School of Mines 지구 물리학자 Matthew Siegfried 및 Whillans의 등산가 Megan Seifert와 함께 Gustafson을 격추했습니다. 그들의 임무는 표면에 직접 배치된 지구물리학적 도구를 사용하여 퇴적물과 그 속성을 더 잘 매핑하는 것입니다. 일이 잘못되면 6주 동안 여행하고, 눈을 파내고, 기계를 심고, 수많은 기타 허드렛일을 해야 하는 힘든 시간이 필요했습니다.

연구팀은 지구 대기에서 생성된 자연 전자기 에너지의 침투를 측정하는 자기 이미징이라는 기술을 사용했습니다. 얼음, 퇴적물, 담수, 염수 및 기반암은 모두 다양한 정도의 전자기 에너지를 전도합니다. 그 차이를 측정함으로써 연구자들은 다양한 항목의 MRI와 같은 지도를 만들 수 있습니다. 팀은 한 번에 하루 정도 동안 도구를 눈 구덩이에 심은 다음 파서 옮기고 결국 약 40개 위치에서 판독을 수행했습니다. 그들은 또한 기반암, 퇴적물 및 얼음의 특성을 파악하는 데 도움이 되도록 다른 팀에서 수집한 지구에서 발생하는 자연 지진파를 재분석했습니다.

그들의 분석은 위치에 따라 퇴적물이 셰일과 충돌하기 전에 빙 바닥 아래로 0.5km에서 거의 2km까지 확장된다는 것을 보여주었습니다. 그들은 그 길을 따라 퇴적물이 액체로 채워져 있음을 확인했습니다. 연구자들은 완전히 추출되면 220~820미터 높이의 수주를 형성할 것으로 추정합니다. 이는 빙상 내부와 빙저의 얕은 수문 시스템보다 최소 10배 더 얕고 아마도 훨씬 더 깊을 것입니다. .

바닷물은 민물보다 에너지를 잘 전달하기 때문에 지하수가 깊이가 깊어질수록 염도가 높아진다는 사실도 증명할 수 있었습니다. Key는 퇴적물이 오래 전에 해양 환경에서 형성된 것으로 믿어지기 때문에 이것이 의미가 있다고 말했습니다. 해수는 약 5,000~7,000년 전 따뜻한 기간 동안 Whillans가 덮은 지역에 마지막으로 도달하여 퇴적물을 소금물로 포화시켰을 수 있습니다. 얼음이 다시 제자리로 돌아왔을 때, 위로부터의 압력과 얼음 바닥의 마찰로 녹은 담수가 분명히 상부 퇴적물로 밀려난 것이 분명했습니다. 키는 오늘도 걸러내고 섞일 수 있다고 말했다.

연구자들은 침전물로 담수를 천천히 배수하는 것이 얼음 바닥에 물이 축적되는 것을 방지할 수 있다고 말합니다. 이것은 얼음이 앞으로 나아가는 것을 억제하는 역할을 할 수 있습니다. 빙류의 육지선(육상 빙류가 떠다니는 빙붕과 만나는 지점)에서 다른 과학자들이 수행한 측정에 따르면 그곳의 물은 일반 해수보다 염분이 다소 적습니다. 이것은 담수가 퇴적물을 통해 바다로 흘러들어가 더 많은 용융수가 유입되도록 하고 시스템을 안정적으로 유지함을 나타냅니다.

그러나 연구원들은 얼음 표면이 너무 얇으면(기후가 따뜻해짐에 따라 분명한 가능성) 물의 흐름 방향이 바뀔 수 있다고 말합니다. 부유 압력이 감소하고 더 ​​깊은 지하수가 얼음 바닥을 향해 흐르기 시작할 수 있습니다. 이것은 얼음 바닥의 윤활을 증가시키고 전방 움직임을 증가시킬 수 있습니다. (Whillans는 이미 하루에 약 1m씩 바다를 향해 이동하고 있습니다. 빙하로서는 너무 빠른 속도입니다.) 또한 깊은 지하수가 위쪽으로 흐르면 셰일에서 자연적으로 생성된 지열을 운반할 수 있습니다. 이것은 얼음 바닥을 녹이고 앞으로 밀어낼 수 있습니다. 그러나 이것이 일어날지 여부와 정도는 분명하지 않습니다.

Gustafson은 “궁극적으로 침전물 투과성이나 물이 얼마나 빨리 흐를 수 있는지에 대한 중요한 제한이 없습니다.”라고 말했습니다. “빠르게 반응을 일으키는 것이 큰 차이를 만들까요? 아니면 지하수가 거대한 얼음 흐름 계획에서 부차적인 역할을 합니까?”

연구자들은 얕은 퇴적물에서 알려진 미생물의 존재가 또 다른 주름을 추가한다고 말합니다. 이 분지와 다른 사람들이 아래에 거주했을 가능성이 있습니다. 그리고 지하수가 상승하기 시작하면 이러한 유기체가 사용하는 용존 탄소를 제거합니다. 측면 지하수 흐름은 이 탄소의 일부를 바다로 보낼 것입니다. 이것은 남극을 이미 수영하고 있는 세계에서 이전에는 고려하지 않은 탄소원으로 만들 것입니다. 그러나 이것이 중요한 영향을 미칠 것인지에 대한 질문은 다시 Gustafson이 말했습니다.

연구원들은 새로운 연구가 이러한 질문에 답하는 시작에 불과하다고 말합니다. 그들은 다음과 같이 썼습니다. “깊은 지하수 역학의 존재에 대한 확인은 빙하류의 거동에 대한 우리의 이해를 변화시켰고, 우리가 빙하 아래 물 모델을 수정하도록 강요할 것입니다.”

다른 저자는 스크립스 해양학 연구소(Scripps Institution of Oceanography)의 헬렌 프리커(Helen Fricker), J. Central Washington 대학의 Paul Winberry, Tulane 대학의 Ryan Ventorelli, Bigelow Oceanographic Laboratory의 Alexander Michaud. Chloe Gustafson은 현재 Scripps의 박사후 연구원입니다.

참고 문헌: Chloe D. Gustafson, Keri K, Matthew R. Siegfried, J. “남극 얼음 흐름을 따라 매핑된 염분 지하수의 동적 시스템” 폴 윈베리, 헬렌 A. 프리커, 라이언 A. 2022년 5월, 과학.
DOI: 10.1126 / science.abm3301