Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass flüssiges Wasser ein Schlüssel zum Verständnis des Verhaltens der gefrorenen Form von Gletschern ist. Es ist bekannt, dass das Schmelzwasser die kiesige Basis der Gletscher schmiert und ihren Weg zum Meer beschleunigt. In den letzten Jahren haben Forscher in der Antarktis Hunderte von miteinander verbundenen flüssigen Seen und Flüssen entdeckt, die sich im Eis selbst befinden. Und sie haben dicke Sedimentbecken unter dem Eis abgebildet, die möglicherweise die größten Wasserreservoirs überhaupt enthalten. Bislang hat jedoch noch niemand das Vorhandensein großer Mengen flüssigen Wassers in den Sedimenten unter dem Eis bestätigt oder untersucht, wie es mit dem Eis interagieren könnte.
Nun hat ein Team zum ersten Mal ein riesiges, aktiv zirkulierendes Grundwassersystem in tiefen Sedimenten der Westantarktis kartiert. Sie sagen, dass solche Systeme, die in der Antarktis wahrscheinlich weit verbreitet sind, bisher unbekannte Auswirkungen darauf haben könnten, wie der gefrorene Kontinent auf den Klimawandel reagiert oder möglicherweise sogar zu ihm beiträgt. Die Forschungsergebnisse werden heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
„Man hat vermutet, dass es in diesen Sedimenten tiefes Grundwasser geben könnte, aber bisher hat noch niemand eine detaillierte Untersuchung durchgeführt“, so die Hauptautorin der Studie, Chloe Gustafson, die als Doktorandin am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University an der Studie gearbeitet hat. „Die Menge an Grundwasser, die wir gefunden haben, war so groß, dass sie wahrscheinlich die Prozesse im Eisstrom beeinflusst. Jetzt müssen wir mehr herausfinden und herausfinden, wie wir das in die Modelle einbeziehen können.
Seit Jahrzehnten überfliegen Wissenschaftler den antarktischen Eisschild mit Radar und anderen Instrumenten, um den Untergrund zu erfassen. Bei diesen Missionen wurden unter anderem Sedimentbecken entdeckt, die zwischen Eis und Felsgestein liegen. Die Geophysik aus der Luft kann jedoch in der Regel nur die groben Umrisse solcher Merkmale aufzeigen, nicht aber den Wassergehalt oder andere Merkmale. Eine Ausnahme bildete eine Studie aus dem Jahr 2019 über die McMurdo Dry Valleys in der Antarktis, bei der Instrumente aus dem Hubschrauber eingesetzt wurden, um einige hundert Meter subglaziales Grundwasser unter einer Eisschicht von etwa 350 Metern zu dokumentieren. Die meisten der bekannten Sedimentbecken der Antarktis liegen jedoch viel tiefer, und das Eis ist meist viel dicker, so dass sie von luftgestützten Instrumenten nicht erreicht werden können. An einigen wenigen Stellen haben sich Forscher durch das Eis in die Sedimente gebohrt, sind aber nur bis zu den ersten paar Metern vorgedrungen. Daher umfassen die Modelle zum Verhalten des Eisschilds nur die hydrologischen Systeme innerhalb oder knapp unterhalb des Eises.
Das ist ein großes Manko, denn die meisten der ausgedehnten Sedimentbecken der Antarktis liegen unterhalb des aktuellen Meeresspiegels, eingekeilt zwischen felsgebundenem Landeis und schwimmenden marinen Schelfeisflächen, die den Kontinent säumen. Man nimmt an, dass sie sich während der Warmzeiten, als der Meeresspiegel höher war, auf dem Meeresboden gebildet haben. Würden sich die Schelfeise in einem sich erwärmenden Klima zurückziehen, könnte das Meerwasser erneut in die Sedimente eindringen, und die dahinter liegenden Gletscher könnten vorstoßen und den Meeresspiegel weltweit erhöhen.
Die Forscher konzentrierten sich in der neuen Studie auf den 60 Meilen breiten Whillans Ice Stream, einen von einem halben Dutzend schnell fließender Ströme, die das Ross-Schelfeis speisen, das größte der Welt, etwa so groß wie das kanadische Yukon-Territorium. Frühere Forschungen haben einen subglazialen See innerhalb des Eises und ein sich darunter erstreckendes Sedimentbecken ergeben. Flache Bohrungen in den ersten Fuß der Sedimente haben flüssiges Wasser und eine blühende Gemeinschaft von Mikroben zutage gefördert. Aber was weiter unten liegt, war bisher ein Rätsel.
Ende 2018 setzte ein LC-130-Skiflugzeug der US-Luftwaffe Gustafson zusammen mit der Lamont-Doherty-Geophysikerin Kerry Key, dem Geophysiker Matthew Siegfried von der Colorado School of Mines und der Bergsteigerin Meghan Seifert auf den Whillans ab. Ihre Aufgabe: die Sedimente und ihre Eigenschaften mit geophysikalischen Instrumenten, die direkt auf der Oberfläche platziert werden, besser zu kartieren. Weit weg von jeglicher Hilfe, falls etwas schief gehen sollte, mussten sie sechs anstrengende Wochen lang reisen, im Schnee graben, Instrumente anbringen und unzählige andere Aufgaben erledigen.
Das Team verwendete eine Technik namens magnetotellurische Bildgebung, die das Eindringen natürlicher elektromagnetischer Energie, die hoch in der Atmosphäre des Planeten erzeugt wird, in die Erde misst. Eis, Sedimente, Süßwasser, Salzwasser und Grundgestein leiten alle elektromagnetische Energie in unterschiedlichem Maße; durch Messung der Unterschiede können die Forscher MRI-ähnliche Karten der verschiedenen Elemente erstellen. Das Team pflanzte seine Instrumente für jeweils etwa einen Tag in Schneegruben ein, grub sie dann aus und versetzte sie an einen anderen Ort, so dass sie schließlich an etwa vier Dutzend Stellen Messungen vornahmen. Sie analysierten auch natürliche seismische Wellen, die von einem anderen Team aufgezeichnet worden waren, um die Unterscheidung zwischen Gestein, Sediment und Eis zu erleichtern.
Ihre Analyse ergab, dass sich die Sedimente je nach Standort zwischen einem halben und fast zwei Kilometern unter die Eisbasis erstrecken, bevor sie auf den Felsboden treffen. Und sie bestätigten, dass die Sedimente auf dem gesamten Weg nach unten mit flüssigem Wasser beladen sind. Die Forscher schätzen, dass sich, wenn das gesamte Wasser entnommen würde, 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 als das.
Da salzhaltiges Wasser Energie besser leitet als Süßwasser, konnten sie auch zeigen, dass das Grundwasser mit zunehmender Tiefe salziger wird. Laut Key macht dies Sinn, da sich die Sedimente vermutlich vor langer Zeit in einer marinen Umgebung gebildet haben. Wahrscheinlich erreichte das Meerwasser das heutige Gebiet der Whillans zuletzt während einer Warmzeit vor 5 000 bis 7 000 Jahren und sättigte die Sedimente mit Salzwasser. Als sich das Eis zurückzog, wurde frisches Schmelzwasser, das durch Druck von oben und Reibung an der Eisbasis entstand, offenbar in die oberen Sedimente gedrückt. Wahrscheinlich sickert es auch heute noch nach unten und mischt sich ein, so Key.
Die Forscher sagen, dass dieses langsame Abfließen von frischem Wasser in die Sedimente verhindern könnte, dass sich das Wasser an der Basis des Eises staut. Dies könnte als Bremse für die Vorwärtsbewegung des Eises wirken. Messungen anderer Wissenschaftler an der Grundlinie 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 frisches Wasser durch die Sedimente in den Ozean fließt, um Platz für weiteres Schmelzwasser zu schaffen und das System stabil zu halten.
Die Forscher sagen jedoch, dass sich die Richtung des Wasserflusses umkehren könnte, wenn die Eisoberfläche dünner wird – was angesichts der Klimaerwärmung durchaus möglich ist. Der Druck über dem Eis würde abnehmen, und tieferes Grundwasser könnte in Richtung der Eisbasis fließen. Dies könnte die Basis des Eises weiter schmieren und seine Vorwärtsbewegung verstärken. (Die Whillans bewegen das Eis bereits etwa einen Meter pro Tag seewärts – sehr schnell für Gletschereis.) Wenn außerdem tiefes Grundwasser nach oben fließt, könnte es geothermische Wärme mit sich führen, die auf natürliche Weise im Grundgestein erzeugt wird; dies könnte die Basis des Eises weiter auftauen und es vorwärts treiben. Ob und in welchem Ausmaß dies geschieht, ist jedoch unklar.
„Letztendlich haben wir keine großen Einschränkungen bezüglich der Durchlässigkeit der Sedimente oder wie schnell das Wasser fließen würde“, so Gustafson. „Würde es einen großen Unterschied machen, der eine Durchbruchreaktion auslösen würde? Oder ist das Grundwasser ein eher unbedeutender Akteur im großen Plan des Eisflusses?“
Das bekannte Vorhandensein von Mikroben in den flachen Sedimenten stellt ein weiteres Problem dar, so die Forscher. Dieses und andere Becken sind wahrscheinlich weiter unten besiedelt, und wenn das Grundwasser nach oben fließt, würde es den gelösten Kohlenstoff, den diese Organismen benötigen, mit sich führen. Der seitliche Grundwasserfluss würde dann einen Teil dieses Kohlenstoffs in den Ozean befördern. Dies würde die Antarktis möglicherweise zu einer bisher nicht berücksichtigten Kohlenstoffquelle in einer Welt machen, die bereits in Kohlenstoff schwimmt. Aber auch hier stellt sich die Frage, ob dies einen signifikanten Effekt hätte, so Gustafon.
Die neue Studie ist nur ein Anfang, um diese Fragen zu klären, sagen die Forscher. „Die Bestätigung der Existenz von Tiefengrundwasserdynamik hat unser Verständnis des Verhaltens von Eisströmen verändert und wird eine Modifizierung von subglazialen Wassermodellen 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.
Datum: Mai 5, 2022
Quelle: Columbia Climate School
Related Multimedia:
Journal Reference:
- Chloe D. Gustafson, Kerry Key, Matthew R. Siegfried, J. Paul Winberry, Helen A. Fricker, Ryan A. Venturelli, Alexander B. Michaud. A dynamic saline groundwater system mapped beneath an Antarctic ice stream. Science, 2022; 376 (6593): 640 DOI: 10.1126/science.abm3301