นักวิทยาศาสตร์ค้นพบระบบน้ำบาดาลขนาดใหญ่ในตะกอนใต้น้ำแข็งแอนตาร์กติก

Chloe Gustafson และ Meghan Seifert ติดตั้งเครื่องมือธรณีฟิสิกส์

ผู้เขียนนำ Chloe Gustafson และนักปีนเขา Meghan Seifert ติดตั้งเครื่องมือธรณีฟิสิกส์เพื่อวัดน้ำใต้ดินใต้กระแสน้ำแข็ง Whillans Ice Stream ของ West Antarctica เครดิต: Kerry Key / Lamont-Doherty Earth Observatory

อ่างเก็บน้ำที่ไม่ได้ทำแผนที่ก่อนหน้านี้สามารถเร่งความเร็วของธารน้ำแข็งและปล่อยคาร์บอน

นักวิจัยหลายคนเชื่อว่าน้ำที่เป็นของเหลวเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของรูปแบบน้ำแข็งที่พบในธารน้ำแข็ง เป็นที่ทราบกันดีว่า Meltwater หล่อลื่นฐานกรวดและเร่งการเดินทัพไปสู่ทะเล ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ในทวีปแอนตาร์กติกาได้ค้นพบทะเลสาบและแม่น้ำที่เป็นของเหลวที่เชื่อมต่อถึงกันหลายร้อยแห่งที่ห่อหุ้มอยู่ภายในน้ำแข็ง และพวกเขาได้ถ่ายภาพแอ่งตะกอนหนาๆ ใต้น้ำแข็ง ซึ่งอาจประกอบด้วยแหล่งน้ำที่ใหญ่ที่สุด แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีใครยืนยันการมีอยู่ของน้ำของเหลวจำนวนมากในตะกอนใต้น้ำแข็ง และยังไม่ได้ตรวจสอบว่ามันอาจมีปฏิกิริยากับน้ำแข็งอย่างไร

ตอนนี้ ทีมวิจัยได้ทำแผนที่ระบบน้ำบาดาลขนาดใหญ่ที่หมุนเวียนอย่างแข็งขันในตะกอนลึกในแอนตาร์กติกาตะวันตกเป็นครั้งแรก พวกเขากล่าวว่าระบบดังกล่าว ซึ่งอาจพบได้ทั่วไปในทวีปแอนตาร์กติกา อาจมีนัยยะที่ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าทวีปน้ำแข็งมีปฏิกิริยาอย่างไร หรือแม้แต่มีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร ศาสตร์ เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม 2565

สำรวจสถานที่บนลำธารน้ำแข็ง Whillans

สถานที่สำรวจบนลำธารน้ำแข็ง Whillans สถานีถ่ายภาพแม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในสองพื้นที่ทั่วไป (เครื่องหมายสีเหลือง) ทีมงานได้เดินทางไปยังพื้นที่ที่กว้างขึ้นเพื่อทำงานอื่น ๆ โดยแสดงด้วยจุดสีแดง คลิกที่ภาพเพื่อดูรุ่นใหญ่ เครดิต: มารยาท Chloe Gustafson

“ผู้คนตั้งสมมติฐานว่าอาจมีน้ำใต้ดินลึกในตะกอนเหล่านี้ แต่จนถึงตอนนี้ยังไม่มีใครทำการถ่ายภาพโดยละเอียด” ผู้เขียนนำการศึกษา Chloe Gustafson ผู้ซึ่งทำวิจัยในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่[{” 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.

Matthew Siegfried Pulls Buried Electrode Wire

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.

ในช่วงปลายปี 2018 เครื่องบินสกี LC-130 ของกองทัพอากาศสหรัฐฯ ทิ้ง Gustafson พร้อมด้วย Kerry Key นักธรณีฟิสิกส์ Lamont-Doherty, Matthew Siegfried นักธรณีฟิสิกส์แห่ง Colorado School of Mines และนักปีนเขา Meghan Seifert บน Whillans ภารกิจของพวกเขา: เพื่อทำแผนที่ตะกอนและคุณสมบัติของตะกอนให้ดีขึ้นโดยใช้เครื่องมือธรณีฟิสิกส์ที่วางอยู่บนพื้นผิวโดยตรง ห่างไกลจากความช่วยเหลือใดๆ หากมีสิ่งผิดปกติเกิดขึ้น พวกเขาต้องใช้เวลาหกสัปดาห์ในการเดินทางอันเหน็ดเหนื่อย ขุดหิมะ ปลูกอุปกรณ์ และงานบ้านอื่นๆ อีกนับไม่ถ้วน

ทีมงานใช้เทคนิคที่เรียกว่าการถ่ายภาพด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (magnetotelluric Imaging) ซึ่งวัดการแทรกซึมเข้าไปในโลกของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าธรรมชาติที่สร้างขึ้นในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์สูง น้ำแข็ง ตะกอน น้ำจืด น้ำเค็ม และหิน ล้วนนำพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในระดับต่างๆ โดยการวัดความแตกต่าง นักวิจัยสามารถสร้างแผนที่เหมือน MRI ขององค์ประกอบต่างๆ ทีมงานได้วางเครื่องมือของพวกเขาไว้ในบ่อหิมะครั้งละหนึ่งวันหรือประมาณนั้น จากนั้นจึงขุดออกมาและย้ายที่ตั้ง ในที่สุดก็ไปอ่านที่สถานที่สี่สิบแห่ง พวกเขายังวิเคราะห์คลื่นไหวสะเทือนตามธรรมชาติที่เล็ดลอดออกมาจากพื้นโลกที่ทีมอื่นรวบรวมมาอีกครั้ง เพื่อช่วยแยกแยะความแตกต่างของพื้นหิน ตะกอน และน้ำแข็ง

การวิเคราะห์ของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าตะกอนขยายออกไปด้านล่างฐานของน้ำแข็งจากครึ่งกิโลเมตรเป็นเกือบสองกิโลเมตรก่อนที่จะกระแทกพื้นหินทั้งนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่ง และพวกเขายืนยันว่าตะกอนเต็มไปด้วยน้ำของเหลวตลอดทาง นักวิจัยประเมินว่าหากดึงออกมาทั้งหมด มันจะก่อตัวเป็นเสาน้ำสูง 220 ถึง 820 เมตร ซึ่งมากกว่าในระบบอุทกวิทยาตื้นภายในและที่ฐานของน้ำแข็งอย่างน้อย 10 เท่า อาจจะมากกว่านั้นมาก .

น้ำเค็มนำพลังงานได้ดีกว่าน้ำจืด จึงสามารถแสดงให้เห็นได้ว่าน้ำบาดาลมีความเค็มในระดับความลึกมากกว่า คีย์กล่าวว่าสิ่งนี้สมเหตุสมผล เพราะเชื่อว่าตะกอนก่อตัวขึ้นในสภาพแวดล้อมทางทะเลเมื่อนานมาแล้ว น้ำทะเลอาจถึงระดับสุดท้ายที่ตอนนี้เป็นพื้นที่ที่ปกคลุมโดย Whillans ในช่วงเวลาที่อบอุ่นประมาณ 5,000 ถึง 7,000 ปีก่อน โดยทำให้ตะกอนอิ่มตัวด้วยน้ำเกลือ เมื่อน้ำแข็งเคลื่อนตัวขึ้นใหม่ นํ้าแข็งสดที่เกิดจากแรงดันจากด้านบนและการเสียดสีที่ฐานน้ำแข็งก็ถูกผลักเข้าไปในตะกอนด้านบนอย่างเห็นได้ชัด คีย์กล่าวว่ามันอาจจะยังคงกรองและผสมในทุกวันนี้

นักวิจัยกล่าวว่าการระบายน้ำจืดเข้าสู่ตะกอนอย่างช้าๆ สามารถป้องกันไม่ให้น้ำสะสมที่ฐานของน้ำแข็งได้ นี้สามารถทำหน้าที่เป็นเบรกในการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของน้ำแข็ง การวัดโดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ที่แนวพื้นดินของกระแสน้ำแข็ง – จุดที่กระแสน้ำแข็งที่ไหลลงสู่พื้นพบกับชั้นน้ำแข็งที่ลอยอยู่ – แสดงให้เห็นว่าน้ำในนั้นมีความเค็มน้อยกว่าน้ำทะเลทั่วไป นี่แสดงให้เห็นว่าน้ำจืดไหลผ่านตะกอนสู่มหาสมุทร ทำให้มีที่ว่างสำหรับน้ำที่ละลายมากขึ้นเข้ามา และทำให้ระบบมีเสถียรภาพ

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยกล่าวว่า หากพื้นผิวน้ำแข็งบางเกินไป—มีความเป็นไปได้ที่ชัดเจนเมื่อสภาพอากาศอุ่นขึ้น—ทิศทางของการไหลของน้ำสามารถย้อนกลับได้ ความกดดันที่อยู่เหนือพื้นจะลดลง และน้ำบาดาลที่ลึกกว่าจะเริ่มไหลทะลักขึ้นสู่ฐานน้ำแข็ง สิ่งนี้สามารถหล่อลื่นฐานของน้ำแข็งและเพิ่มการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (พวกวิลแลนเคลื่อนตัวในทะเลน้ำแข็งประมาณหนึ่งเมตรต่อวัน—อย่างรวดเร็วมากสำหรับน้ำแข็งในน้ำแข็ง) นอกจากนี้ หากน้ำใต้ดินลึกไหลขึ้นไปข้างบน ก็สามารถนำความร้อนใต้พิภพที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในชั้นหิน สิ่งนี้สามารถละลายฐานของน้ำแข็งและขับเคลื่อนไปข้างหน้าได้ แต่ถ้าสิ่งนั้นจะเกิดขึ้นและมากน้อยเพียงใดนั้นยังไม่แน่ชัด

“ในที่สุด เราก็ไม่มีข้อจำกัดอย่างมากในการซึมผ่านของตะกอนหรือว่าน้ำจะไหลเร็วแค่ไหน” กุสตาฟสันกล่าว “มันจะสร้างความแตกต่างอย่างมากที่จะสร้างปฏิกิริยาหนีหรือไม่? หรือน้ำบาดาลเป็นเพียงผู้เล่นรายย่อยในโครงการที่ยิ่งใหญ่ของกระแสน้ำแข็ง?”

นักวิจัยกล่าวว่าการปรากฏตัวของจุลินทรีย์ในตะกอนตื้นนั้นทำให้เกิดรอยย่นอีกอัน ลุ่มน้ำนี้และอื่น ๆ มีแนวโน้มที่จะอาศัยอยู่ต่อไป และถ้าน้ำบาดาลเริ่มเคลื่อนขึ้นข้างบน ก็จะทำให้เกิดคาร์บอนที่ละลายน้ำซึ่งใช้โดยสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ การไหลของน้ำบาดาลด้านข้างจะส่งคาร์บอนบางส่วนไปยังมหาสมุทร สิ่งนี้อาจทำให้แอนตาร์กติกากลายเป็นแหล่งคาร์บอนที่ยังไม่มีใครพิจารณาในโลกที่ว่ายน้ำอยู่แล้ว แต่อีกครั้ง คำถามก็คือว่าสิ่งนี้จะก่อให้เกิดผลกระทบที่สำคัญหรือไม่ Gustafson กล่าว

นักวิจัยกล่าวว่าการศึกษาใหม่นี้เป็นเพียงการเริ่มต้นเพื่อตอบคำถามเหล่านี้ “การยืนยันการมีอยู่ของไดนามิกของน้ำใต้ดินลึกได้เปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพฤติกรรมของกระแสน้ำแข็ง และจะบังคับให้มีการปรับเปลี่ยนแบบจำลองน้ำใต้ดิน” พวกเขาเขียน

ผู้เขียนคนอื่นๆ ได้แก่ Helen Fricker จาก Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry จาก Central Washington University, Ryan Venturelli จาก Tulane University และ Alexander Michaud จาก Bigelow Laboratory for Ocean Sciences ปัจจุบัน Chloe Gustafson เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Scripps

ข้อมูลอ้างอิง: “ระบบน้ำบาดาลแบบไดนามิกที่แมปใต้กระแสน้ำแข็งแอนตาร์กติก” โดย Chloe D. Gustafson, Kerry Key, Matthew R. Siegfried, J. Paul Winberry, Helen A. Fricker, Ryan A. Venturelli และ Alexander B. Michaud, 5 พฤษภาคม 2022 ศาสตร์.
ดอย: 10.1126/science.abm3301

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*