Världens näst största inlandsis, och den enskilt största bidragsgivaren till den globala havsnivåhöjningen, är potentiellt instabil på grund av sprickor som utvecklas som svar på snabbare isflöde och mer smältvatten som bildas på dess yta.

Genom att använda specialbyggda drönare som är starka nog att motstå de extrema arktiska förhållandena, forskare under ledning av University of Cambridge gjorde de första drönarbaserade observationerna av hur sprickor bildas under smältvattensjöar på Grönlands inlandsis. Dessa sprickor orsakar katastrofala sjödräneringar, där enorma mängder ytvatten överförs till den känsliga miljön under isen.

Studien, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences , visar hur vattnet överförs och hur inlandsisen reagerar. Forskarna fann att inströmmande smältvatten expanderade sjön och dräneringen började när kanten av sjön skär en spricka, som bildades ett år tidigare.

Varje sommar, tusentals sjöar bildas på Grönlands inlandsis när vädret värms upp. Många av dessa sjöar kan rinna ut på bara några timmar, skapa grottor som kallas moulins, genom vilket vatten sjunker till botten av inlandsisen.

Dessa håligheter förblir vanligtvis öppna under resten av smältsäsongen, när smältvatten från bäckar och floder på ytan sjunker under isen. Med tanke på att inlandsisen vanligtvis är en kilometer tjock eller mer, flödet av vatten in i moulins kan mycket väl vara världens största vattenfall.

Under forskningen från ett läger på Store Glacier på nordvästra Grönland, teamet bevittnade hur denna spricka blev aktiv och hur den fortplantade sig 500 meter längre in i sjön, vilket gör att sjön dränerar snabbt. I flera droneflygningar, teamet kunde dokumentera flödet av vatten in i sprickan och vattnets efterföljande väg under isen.

I en detaljerad rekonstruktion av händelsen, som sällan observeras direkt, laget, som också inkluderade forskare från Aberystwyth och Lancaster Universities, visade hur smältvattnet orsakar bildandet av nya sprickor, samt expansion av vilande sprickor.

På bara fem timmar, fem miljoner kubikmeter vatten – motsvarande 2, 000 simbassänger i olympisk storlek – dränerade till botten av inlandsisen via sprickan, vilket får en ny hålighet att bildas och minskar sjön till en tredjedel av dess ursprungliga volym. Detta fick isflödet att accelerera från en hastighet av två meter per dag till mer än fem meter per dag när ytvatten överfördes till bädden, vilket i sin tur lyfte inlandsisen med en halv meter.

Drönarfilmen stöder datormodeller som används av samma team av forskare för att visa att dränering av smältsjöar på Grönland kan ske i en kedjereaktion. Den nya studien ger en insikt om hur dessa kedjereaktioner kan utlösas, via sjöar som kan dränera genom befintliga sprickor.

"Det är möjligt att vi har underskattat effekterna av dessa glaciärer på den övergripande instabiliteten på Grönlands inlandsis, " sa medförfattaren Tom Chudley, en Ph.D. student vid Scott Polar Research och teamets drönarpilot. "Det är en sällsynt sak att faktiskt observera dessa snabbt dränerande sjöar - vi hade turen att vara på rätt plats vid rätt tidpunkt."

"Dessa glaciärer rör sig redan ganska snabbt, så effekten av sjöarna kanske inte verkar vara så dramatisk som den är på långsammare glaciärer på andra håll, men den totala effekten är faktiskt mycket betydande, sade doktor Poul Christoffersen, som ledde forskningen. "Hittills, de flesta observationer tillhandahålls av satelliter. Dessa låter oss se vad som händer över hela inlandsisen, men drönarbaserade observationer ger mycket mer nyans till vår förståelse av dessa sjödräneringar. Vi kan också observera bildandet och återöppningen av frakturer, vilket inte är möjligt från satelliter."

Drönarna, som byggdes vid Scott Polar Research Institute, var utrustade med autopilot och navigerade autonomt längs förprogrammerade flygvägar i uppdrag som varade upp till en timme vardera. Genom att även montera GPS ombord, teamet kunde exakt geolokalisera och sy ihop hundratals bilder tagna under varje undersökning. Bilderna användes för att skapa detaljerade 3D-rekonstruktioner av inlandsisens yta.

Fynden visar att snabbt strömmande glaciärer på Grönland utsätts för betydande forcering av ytsmältvatten. De visar också att förändringar i isflödet sker på mycket kortare tidsskalor än vad som hittills ansetts vara möjligt.

Christoffersen leder det EU-finansierade RESPONDER-projektet, som denna studie var en del av. RESPONDER-teamet använder drönarfilmerna för att identifiera "hotspots" där inlandsisen beter sig känsligt.

Använda borrutrustning, teamet undersöker nu hur vattnet ryms i det basala dräneringssystemet och hur inlandsisen kan förändras under de kommande decennierna när klimatet fortsätter att värmas upp.

Skillnaden mellan snöansamling och förlust av is på Grönlands inlandsis uppgår för närvarande till att en miljard ton is går förlorad varje dag. Denna nettoförlust av is växer, vilket gör Grönlandsisen till den enskilt största bidragsgivaren till den globala havsnivåhöjningen.