Forskare har använt fiberoptisk avkänning för att få de mest detaljerade mätningarna av isegenskaper som någonsin tagits på Grönlands isark. Deras resultat kommer att användas för att göra mer exakta modeller av den framtida rörelsen av världens näst största inlandsis, eftersom effekterna av klimatförändringarna fortsätter att accelerera.

Forskargruppen, ledd av University of Cambridge, använde en ny teknik där laserpulser överförs i en fiberoptisk kabel för att erhålla mycket detaljerade temperaturmätningar från isarkets yta ända till basen, mer än 1000 meter under.

I motsats till tidigare studier, som mätte temperaturen från separata sensorer som ligger tiotals eller till och med hundratals meter från varandra, det nya tillvägagångssättet gör det möjligt att mäta temperaturen längs hela längden på en fiberoptisk kabel installerad i ett djupt borrhål. Resultatet är en mycket detaljerad temperaturprofil, som styr hur snabbt isen deformeras och i slutändan hur snabbt inlandsisen flyter.

Temperaturen på isskivor ansågs variera som en jämn gradient, med de varmaste partierna på ytan där solen träffar, och vid basen där den värms upp av geotermisk energi och friktion när inlandsisen slipar över det subglaciala landskapet mot havet.

Den nya studien fann istället att temperaturfördelningen är mycket mer heterogen, med områden med mycket lokal deformation som värmer isen ytterligare. Denna deformation är koncentrerad till gränserna mellan is i olika åldrar och typer. Även om den exakta orsaken till denna deformation fortfarande är okänd, det kan bero på damm i isen från tidigare vulkanutbrott eller stora sprickor som tränger in flera hundra meter under isytan. Resultaten rapporteras i journalen Vetenskapens framsteg .

Massförlusten från Grönlands isark har sexdubblats sedan 1980-talet och är nu den enskilt största bidragsgivaren till global havsnivåhöjning. Ungefär hälften av denna massaförlust kommer från ytsmältvattenavrinning, medan den andra hälften drivs av utsläpp av is direkt i havet av snabbt flödande glaciärer som når havet.

För att avgöra hur isen rör sig och de termodynamiska processerna på jobbet inom en glaciär, noggranna istemperaturmätningar är viktiga. Förhållanden på ytan kan detekteras av satelliter eller fältobservationer på ett relativt enkelt sätt. Dock, att bestämma vad som händer vid foten av den kilometer tjocka isen är mycket mer utmanande att observera, och brist på observationer är en viktig orsak till osäkerhet i prognoser om global havsnivåhöjning.

RESPONDER -projektet, finansieras av Europeiska forskningsrådet, tar itu med detta problem med hjälp av hetvattenborrningsteknik för att borra genom Sermeq Kujalleq (Store Glacier) och direkt studera miljön vid basen av en av Grönlands största glaciärer.

"Vi tar normalt mätningar inom isbanan genom att fästa sensorer på en kabel som vi sänker ner i ett borrat borrhål, men observationerna vi har gjort hittills gav oss inte en fullständig bild av vad som händer, " sa medförfattaren Dr. Poul Christoffersen från Scott Polar Research Institute som leder RESPONDER-projektet. "Ju mer exakta data vi kan samla in, ju tydligare vi kan göra den bilden, vilket i sin tur hjälper oss att göra mer exakta förutsägelser för inlandsisens framtid. "

"Med typiska avkänningsmetoder, vi kan bara fästa ett dussin sensorer på kabeln, så mätningarna är väldigt åtskilda, " sa första författaren Robert Law, en Ph.D. kandidat vid Scott Polar Research Institute. "Men genom att använda en fiberoptisk kabel istället, i princip hela kabeln blir en sensor, så att vi kan få exakta mätningar från ytan ända till basen. "

För att installera kabeln, forskarna var tvungna att först borra genom glaciären, en process som leds av professor Bryn Hubbard och Dr Samuel Doyle från Aberystwyth University. Efter att kabeln har sänkts ned i borrhålet, laget överförde laserpulser i kabeln, och registrerade sedan snedvridningarna i spridningen av ljus i kabeln, som varierar beroende på temperaturen på den omgivande isen. Ingenjörer vid Delft University of Technology i Nederländerna och geofysiker vid University of Leeds hjälpte till med datainsamling och analys.

"Denna teknik är ett stort framsteg i vår förmåga att registrera rumsliga variationer i istemperaturen över långa avstånd och med riktigt hög upplösning. Med några ytterligare anpassningar, tekniken kan också spela in andra egenskaper, såsom deformation, med liknande hög upplösning, sa Hubbard.

"Övergripande, våra avläsningar målar upp en bild som är mycket mer varierad än vad nuvarande teorier och modeller förutspår, "sa Christoffersen." Vi fann att temperaturen påverkades starkt av isens deformation i band och vid gränserna mellan olika istyper. Och detta visar att det finns begränsningar i många modeller, inklusive vår egen."

Forskarna hittade tre lager is i glaciären. Det tjockaste lagret består av kall och stel is som bildades under de senaste 10, 000 år. Nedan, de hittade äldre is från förra istiden, som är mjukare och mer deformerbar på grund av damm som fastnar i isen. Det som förvånade forskarna mest, dock, var ett lager varm is mer än 70 meter tjockt längst ner på glaciären. "Vi känner denna typ av varm is från långt varmare alpina miljöer, men här producerar glaciären värmen genom att deformera sig själv, "sa Law.

"Med dessa observationer, vi börjar bättre förstå varför Grönlands inlandsis tappar massa så snabbt och varför utsläpp av is är en så framträdande mekanism för isförlust, sa Christoffersen.

En av de största begränsningarna i vår förståelse av klimatförändringar är knuten till glaciärers och isskydds beteende. De nya uppgifterna kommer att göra det möjligt för forskarna att förbättra sina modeller av hur Grönlands inlandsis för närvarande rör sig, hur det kan röra sig i framtiden, och vad detta kommer att innebära för den globala havsnivåhöjningen.

Forskningen finansierades delvis av Europeiska unionen.