Каждый год тысячи естественных озер талой воды образуются на поверхности высокогорной внутренней части ледникового щита, где толщина льда может составлять более полумили. По мере того, как эти озера истощаются, они образуют большие заполненные водой полости между льдом и коренной породой.
Объединив полевые наблюдения с математическими моделями и лабораторными экспериментами, исследователи под руководством Принстонского университета обнаружили, что эти пузыри толкают поверхность льда вверх, а затем заставляют ее постепенно опускаться по мере того, как вода проникает в подледниковую дренажную систему. журнал Nature Communications.
Команда впервые показывает, что подъем и опускание ледникового покрова, вызванные быстрым осушением озера, можно использовать для оценки свойства, известного как проницаемость, которая характеризует эффективность водных сетей, образующихся между льдом и коренной породой. Исследователи сообщили, что дренаж озера представляет собой новый инструмент для измерения проницаемости под внутренними регионами ледникового щита, где коэффициент пропускания иначе измерить трудно. Они обнаружили, что коэффициент пропускания может увеличиваться на два порядка во время летнего сезона таяния снега в Гренландии.
Полученные данные могут пролить свет на то, как изменение климата повлияет на обширные замерзшие внутренние районы Гренландии по мере того, как планета нагревается и увеличивается таяние поверхности, сказал первый автор Чинг-Яо Лай, доцент кафедры геолого-геофизических наук, атмосферных и океанических наук в Принстоне. По ее словам, вода от таяния поверхности может действовать как смазка, заставляя ледник легче скользить по коренным породам.
Существующие исследования показали, что основной способ таяния поверхности повлиять на стабильность ледяного щита Гренландии – это смазка талая водой его пласта, сказал Лай.
Однако большинство этих исследований было сосредоточено на низинных участках, где ледяной покров тоньше. Предыдущие исследования также предполагали, что усиление таяния поверхности может ускорить движение внутреннего ледникового щита на большой высоте, но эти результаты основаны на вычислительных моделях, а не на наблюдениях, сказал Лай.
Статья в Nature Communications дает редкий, основанный на наблюдениях взгляд на в основном недоступные водные сети, лежащие под высокогорным ледниковым щитом Гренландии.
Исследование было поддержано Принстонским институтом окружающей среды High Meadows (HMEI) и HMEI Carbon Mitigation Initiative.
«Мы знаем, что по мере потепления климата в будущем зона поверхностного таяния может расширяться и перемещаться на более высокие высоты, чем наблюдается в настоящее время.Однако остается большой вопрос, на который еще предстоит ответить: насколько проницаемость может увеличиться дальше вглубь суши », – сказал Лай, который является ассоциированным преподавателем в HMEI.
«Потенциальное воздействие заключается в том, что связь между поверхностным таянием и развитием подледниковой водной сети может быть активирована не только на более низких высотах, как это наблюдается в настоящее время, но также и на более высоких отметках», – сказала она. «Потребуется больше наблюдений за сезонными изменениями подледниковой прозрачности в ответ на таяние поверхности, чтобы действительно понять, что произойдет, когда таяние переместится в более высокогорные районы."
Соавторами статьи из Принстона являются член-корреспондент HMEI Говард Стоун, Дональд Р. Диксон ’69 и Элизабет В. Диксон, профессор машиностроения и аэрокосмической техники и кафедра машиностроения и аэрокосмической техники, и Даниэль Чейз, аспирантка Stone’s Complex Fluids Group.
В число соавторов исследования также входила Лаура Стивенс, доцент кафедры климата и процессов на поверхности земли в Оксфордском университете, имеющая обширный опыт изучения стока озер и динамики льда. Стивенс помогал собирать полевые наблюдения в Гренландии вместе с соавторами Марком Беном, адъюнкт-профессором наук о Земле и окружающей среде в Бостонском колледже, и Сарой Дас, младшим научным сотрудником Океанографического института Вудс-Хол. Тимоти Крейтс из Обсерватории Земли Ламонта-Доэрти при Колумбийском университете также является соавтором исследования.
Исследователи использовали данные GPS и полевые наблюдения пяти событий, связанных с осушением озера, которые произошли в период с 2006 по 2012 год, для оценки объема стока и наблюдения за смещениями поверхности, вызванными осушением озера и последующим образованием пузырей.
«По данным GPS мы наблюдали широкий диапазон времен релаксации поднятия ледникового покрова после пяти событий осушения», – сказал Стивенс. «У нас было подозрение, что такой разброс времен релаксации может указывать на некоторые характеристики подледниковой дренажной системы. Наше понимание значительно улучшилось, поскольку это сотрудничество между исследователями, обладающими опытом в области наблюдательных, теоретических и экспериментальных подходов, послужило катализатором."
Чейз, получивший премию HMEI Walbridge Fund Graduate Award за изучение гидравлического разрыва пласта, затем разработал серию экспериментов с использованием силикона, имитирующего деформируемый лед поверх пористого материала, который представляет собой коренную породу.
Она впрыснула жидкость между деформируемым листом и пористой подложкой, наблюдая за временем, которое потребовалось для образования пузыря, а затем его стекания в пористую подложку. Работая со Стоуном и Лаем, Чейз также разработал математическую модель, объясняющую физику, которая управляет подъемом и релаксацией поверхности из-за образования водяных пузырей.
Ее работа – тема статьи, недавно принятой журналом Physical Review Fluids.
«Эксперименты могут быть полезны, потому что в лаборатории мы можем контролировать и измерять все параметры в системе, что позволило нам протестировать нашу модель», – сказал Чейз. «Так же мы можем подобрать идеальные материалы. Система достаточно мала, чтобы ее можно было держать одной рукой, а материал прозрачный, поэтому мы могли непосредственно наблюдать форму пузыря и дренаж в пористую основу с течением времени."
Исследование уникально тем, что использует лабораторные эксперименты для изучения естественных процессов, таких как образование пузырей, которые трудно анализировать в полевых условиях, где исследователи не могут контролировать параметры.
«Полезно иметь лабораторные модели, чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе сложных изменений формы, которые происходят в природе», – сказал Стоун. «Здесь лабораторные эксперименты зафиксировали основные механические особенности, наблюдаемые в полевых условиях, и помогли нам понять релаксацию ледяного покрова, когда вода стекает по ледниковому ложу."