Bản đồ ICESat-2 của NASA về các hồ nước ở Nam Cực với độ phân giải tuyệt đẹp

Từ trên cao, Dải băng Nam Cực có thể trông giống như một tảng băng tĩnh lặng và vĩnh viễn bao phủ Nam Cực trong hàng triệu năm. Nhưng tảng băng có thể sâu hàng nghìn mét ở độ sâu nhất, và nó ẩn chứa hàng trăm hồ nước tan, nơi cơ sở của nó tiếp xúc với nền tảng của lục địa. Sâu bên dưới bề mặt, một số hồ này lấp đầy và thoát nước liên tục thông qua một hệ thống đường dẫn nước cuối cùng thoát ra đại dương.

Giờ đây, với thiết bị laser tiên tiến nhất của NASA để quan sát Trái đất từng được thực hiện trong không gian, các nhà khoa học đã cải thiện bản đồ của họ về hệ thống hồ ẩn dưới lớp băng Tây Nam Cực – và đã phát hiện ra hai trong số những hồ dưới băng đang hoạt động.

Nghiên cứu mới cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc khám phá các hồ băng mới từ không gian, cũng như để đánh giá cách hệ thống ống nước ẩn này ảnh hưởng đến tốc độ băng trượt ở Nam Đại Dương, bổ sung thêm nước ngọt có thể làm thay đổi lưu thông và hệ sinh thái của nó.

Vệ tinh Băng, Mây và Trái đất của NASA, hay ICESat-2, đã cho phép các nhà khoa học lập bản đồ chính xác các hồ dưới băng. Vệ tinh đo chiều cao của bề mặt băng, mặc dù độ dày rất lớn của nó, nó sẽ tăng hoặc giảm khi các hồ lấp đầy hoặc trống rỗng dưới lớp băng.

Hàng trăm hồ nước tan ẩn sâu trong lớp băng ở Nam Cực. Nhờ hệ thống đo độ cao laser mạnh mẽ trong không gian, Vệ tinh Độ cao Trái đất và Đám mây Băng của NASA (ICESat-2) giúp các nhà khoa học “nhìn thấy” bên dưới lớp băng. Nhà cung cấp hình ảnh: Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA

Nghiên cứu được công bố vào ngày 7 tháng 7 năm 2021 tại Thư nghiên cứu địa vật lý, tích hợp dữ liệu độ cao từ tiền thân của ICESat-2, sứ mệnh ban đầu của ICESat, cũng như vệ tinh của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu chuyên theo dõi độ dày băng ở vùng cực, CryoSat-2.

Các hệ thống thủy văn dưới lớp băng ở Nam Cực đã là một bí ẩn trong nhiều thập kỷ. Điều đó bắt đầu thay đổi vào năm 2007, khi Helen Amanda Fricker, một nhà băng học tại Viện Hải dương học Scripps tại Đại học California San Diego, đã đạt được một bước đột phá giúp cập nhật những hiểu biết cổ điển về các hồ dưới băng ở Nam Cực.

Sử dụng dữ liệu từ ICESat ban đầu vào năm 2007, Fricker lần đầu tiên phát hiện ra rằng dưới dòng chảy băng giá chảy xiết của Nam Cực, toàn bộ mạng lưới các hồ giao tiếp với nhau, tích cực làm đầy và thoát nước theo thời gian. Trước đây, những hồ này được cho là có thể giữ nước tan ổn định, không bị lấp và thoát nước.

Matthew Siegfried, phó giáo sư, cho biết: “Khám phá hệ thống liên kết với nhau của các hồ ở bề mặt băng làm chuyển động nước xung quanh, với tất cả những tác động này lên băng hà, vi sinh và hải dương học – đây là một khám phá quan trọng từ sứ mệnh ICESat”. Địa vật lý tại Trường Mỏ Colorado, Golden, Colorado, và điều tra viên chính về nghiên cứu mới. “ICESat-2 giống như đeo kính sau khi sử dụng ICESat, dữ liệu có độ phân giải cao đến mức chúng tôi thực sự có thể bắt đầu lập bản đồ ranh giới của hồ trên bề mặt.”

Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng sự trao đổi nước dưới băng ở Nam Cực là do sự kết hợp của nhiều yếu tố, bao gồm sự dao động áp suất do trọng lượng lớn của lớp băng bên trên, ma sát giữa lớp băng và lớp đá bên dưới, và nhiệt từ mặt đất bên dưới lớp cách nhiệt. bằng độ dày của băng. Điều này hoàn toàn trái ngược với dải băng Greenland, nơi các hồ trên lớp băng chứa đầy nước tan chảy qua các vết nứt và lỗ trên bề mặt.

Để nghiên cứu các khu vực nơi các hồ dưới băng đầy và thường xuyên cạn kiệt với dữ liệu vệ tinh, Siegfried đã làm việc với Fricker, người đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế cách sứ mệnh ICESat-2 giám sát băng từ không gian.

Nghiên cứu mới của Siegfried và Fricker cho thấy một nhóm các hồ bao gồm các hồ Conway và Mercer bên dưới các dòng băng Mercer và Whillans ở Tây Nam Cực đang trải qua thời kỳ khô hạn lần thứ ba kể từ khi sứ mệnh ICESat ban đầu bắt đầu đo những thay đổi về độ cao trên bề mặt băng. tờ năm 2003. Hai hồ mới được phát hiện đều nằm trong khu vực này.

Ngoài việc cung cấp dữ liệu quan trọng, nghiên cứu cũng tiết lộ rằng đường viền hoặc ranh giới của các hồ có thể dần thay đổi khi nước vào và ra khỏi các hồ chứa.

Siegfried nói: “Chúng tôi thực sự vạch ra bất kỳ sự khác biệt nào về độ cao tồn tại ở thời điểm này. “Nếu có những hồ nước đầy và thoát nước, chúng tôi sẽ tìm chúng bằng ICESat-2.”

“Giúp chúng tôi xem” dưới lớp băng phủ الغطاء

Các phép đo chính xác về lượng nước tan cơ bản là rất quan trọng nếu các nhà khoa học muốn hiểu rõ hơn về hệ thống đường ống dẫn nước dưới băng ở Nam Cực và cách tất cả nước ngọt đó có thể thay đổi tốc độ của tảng băng phía trên hoặc sự lưu thông của đại dương mà nó cuối cùng chảy vào.

Là một tảng băng khổng lồ hình vòm bao phủ hầu hết lục địa, băng ở Nam Cực từ từ chảy ra ngoài từ khu vực trung tâm của lục địa giống như một tổ ong rất dày. Nhưng khi băng đến gần bờ biển, tốc độ của nó thay đổi đáng kể, biến thành các dòng băng giống như sông, nhanh chóng di chuyển băng về phía đại dương với tốc độ vài mét mỗi ngày. Tốc độ nhanh hay chậm của chuyển động của băng một phần phụ thuộc vào cách nước tan bôi trơn tảng băng khi nó trượt trên nền tảng bên dưới.

Khi tảng băng di chuyển, nó bị nứt, rạn và các khuyết tật khác. Khi các hồ dưới lớp băng tăng hoặc mất nước, chúng cũng làm biến dạng bề mặt đóng băng bên trên. Dù lớn hay nhỏ, ICESat-2 lập bản đồ những thay đổi về độ cao với độ chính xác chỉ vài inch bằng cách sử dụng hệ thống đo độ cao laser có thể đo bề mặt Trái đất một cách chi tiết chưa từng có.

ICESat-2 sẽ cung cấp cho các nhà khoa học các phép đo độ cao tạo ra bức tranh toàn cầu về chiều thứ ba của Trái đất, thu thập dữ liệu có thể theo dõi chính xác những thay đổi về địa hình bao gồm sông băng, biển băng, rừng và hơn thế nữa. Công cụ duy nhất trên ICESat-2 là ATLAS, hệ thống đo độ cao laser địa hình tiên tiến, và nó sẽ đo sự tan chảy của tảng băng và nghiên cứu mực nước biển đang dâng lên như thế nào, xem xét những thay đổi về khối lượng của các tảng băng và sông băng, ước tính và nghiên cứu độ dày băng biển , và đo chiều cao lớp phủ Thực vật trong rừng và các hệ sinh thái khác trên thế giới. Nhà cung cấp hình ảnh: NASA / Ryan Fitzgibbons

Theo dõi các quá trình phức tạp này với các sứ mệnh vệ tinh tầm xa sẽ cung cấp những hiểu biết quan trọng về số phận của tảng băng. Một phần quan trọng của những gì các nhà băng học đã phát hiện ra về các tảng băng trong 20 năm qua đến từ những quan sát về cách băng ở vùng cực đã thay đổi để phản ứng với sự nóng lên của khí quyển và đại dương, nhưng các quá trình tinh vi như cách hệ thống hồ vận chuyển nước dưới lớp băng cũng có thể xảy ra. quan trọng trong các nghiên cứu, Fricker nói. các tảng băng ở Nam Cực trong tương lai.

Fricker cho biết: “Đây là những quá trình đang diễn ra bên dưới Nam Cực mà chúng tôi sẽ không có manh mối về việc chúng tôi không có dữ liệu vệ tinh”, đồng thời nhấn mạnh cách phát hiện vào năm 2007 đã cho phép các nhà băng học xác nhận rằng hệ thống ống nước ẩn của Nam Cực truyền nước nhanh hơn. hơn suy nghĩ trước đây. “Chúng tôi đã đấu tranh để có được những dự đoán tốt về tương lai của Nam Cực và các công cụ như ICESat-2 đang giúp chúng tôi giám sát quy mô hoạt động.”

“Một hệ thống nước kết nối với toàn bộ hệ thống Trái đất”

Nước ngọt từ tảng băng có thể ảnh hưởng như thế nào đến sự lưu thông của Nam Đại Dương và các hệ sinh thái biển của nó là một trong những bí mật được giữ kín tốt nhất của Nam Cực. Vì thủy văn dưới băng của lục địa đóng một vai trò quan trọng trong việc di chuyển nước đó, Siegfried cũng nhấn mạnh mối liên hệ của tảng băng với phần còn lại của hành tinh.

Siegfried nói: “Chúng tôi không chỉ nói về tảng băng. “Chúng tôi thực sự đang nói về một hệ thống nước được kết nối với toàn bộ hệ thống Trái đất.”

Gần đây, Fricker và một nhóm các nhà khoa học khác đã phát hiện ra mối liên hệ giữa nước ngọt và Nam Đại Dương – nhưng lần này bằng cách xem xét các hồ gần bề mặt của thềm băng, một tảng băng lớn nổi trên đại dương như một phần mở rộng của tảng băng. . Nghiên cứu của họ báo cáo rằng một hồ lớn phủ đầy băng bất ngờ sụp đổ vào năm 2019 sau khi một vết nứt mở ra hoặc đứt gãy từ đáy hồ đến chân thềm Băng Ameri ở Đông Nam Cực.

Sử dụng dữ liệu từ ICESat-2, nhóm nghiên cứu đã phân tích sự thay đổi gồ ghề trong cảnh quan thềm băng. The event left the dolin, or sink, a dramatic depression measuring about four square miles (about 10 square kilometers), or more than three times the size of Central Park in New York City. Vết nứt đã chuyển hướng gần 200 tỷ gallon nước ngọt từ bề mặt của thềm băng xuống đại dương bên dưới trong vòng ba ngày.

Trong suốt mùa hè, hàng ngàn hồ nước chảy màu ngọc lam trang trí bề mặt trắng lấp lánh của các thềm băng ở Nam Cực. Nhưng sự kiện đột ngột này xảy ra vào giữa mùa đông, khi các nhà khoa học dự đoán rằng nước trên bề mặt của thềm băng đã đóng băng hoàn toàn. Bởi vì ICESat-2 quay quanh Trái đất với quỹ đạo mặt đất lặp lại hoàn hảo, các tia laser của nó có thể cho thấy sự thay đổi mạnh mẽ của địa hình trước và sau khi hồ rút nước, ngay cả trong bóng tối của mùa đông Bắc Cực.

Roland Warner, nhà băng học thuộc đối tác Chương trình Nam Cực Úc của Đại học Tasmania, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu đã phát hiện ra thềm băng rải rác trong hình ảnh từ Landsat 8, một sứ mệnh chung giữa NASA và Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ. Warner cho biết sự kiện thoát nước rất có thể là do quá trình hydrofracking trong đó khối lượng nước của hồ tạo ra một vết nứt bề mặt xuyên qua thềm băng trực tiếp xuống đại dương bên dưới.

Warner cho biết: “Do sự giảm trọng lượng của nước trên bề mặt của thềm băng nổi, mọi thứ đều cong lên ở giữa hồ,” Warner nói. “Đây là thứ mà chỉ nhìn chằm chằm vào các bức ảnh vệ tinh mà rất khó phát hiện ra.”

Hồ và suối chảy trên các thềm băng ở Nam Cực là phổ biến trong những tháng ấm hơn. Do các nhà khoa học kỳ vọng những hồ nước tan này sẽ phổ biến hơn khi nhiệt độ không khí tăng lên, nguy cơ nứt vỡ thủy lực cũng có thể tăng lên trong những thập kỷ tới. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu kết luận rằng còn quá sớm để xác định xem liệu khí hậu Nam Cực ấm lên có gây ra sự sụp đổ của hồ quan sát trên Thềm băng Ameri hay không.

Theo dõi sự hình thành dolin với dữ liệu đo độ cao là một cơ hội hiếm có, nhưng đó cũng là loại sự kiện mà các nhà băng học cần phân tích để nghiên cứu tất cả các động lực của băng liên quan đến các mô hình Nam Cực.

Fricker cho biết: “Chúng tôi đã học được rất nhiều về các quá trình động của tảng băng từ phép đo độ cao của vệ tinh, và chúng tôi bắt buộc phải lập kế hoạch cho thế hệ vệ tinh đo độ cao tiếp theo để tiếp tục kỷ lục này.

Tham khảo: “Chiếu sáng quá trình của các hồ dưới băng đang hoạt động bằng máy đo độ cao laser ICESat-2” của M.R. Siegfried và H.A. Fricker, ngày 7 tháng 7 năm 2021, Thư nghiên cứu địa vật lý.
doi: 10.1029 / 2020GL091089