Från ovan, Antarktis isark kan se ut som en lugn, evigt istäcke som har täckt Antarktis i miljontals år. Men inlandsisen kan vara tusentals meter djup som tjockast, och den döljer hundratals smältvattensjöar där dess bas möter kontinentens berggrund. Djupt under ytan, några av dessa sjöar fylls och dräneras kontinuerligt genom ett system av vattendrag som så småningom rinner ut i havet.

Nu, med det mest avancerade jordobserverande laserinstrumentet som NASA någonsin flugit i rymden, forskare har förbättrat sina kartor över dessa dolda sjösystem under det västantarktiska inlandsisen - och upptäckt ytterligare två av dessa aktiva subglaciala sjöar.

Den nya studien ger kritisk insikt för att upptäcka nya subglaciala sjöar från rymden, samt för att bedöma hur detta dolda VVS-system påverkar hastigheten med vilken is glider in i södra oceanen, tillföra sötvatten som kan förändra dess cirkulation och ekosystem.

NASA's Ice, Moln- och landhöjdsatellit 2, eller ICESat-2, tillät forskare att exakt kartlägga de subglaciala sjöarna. Satelliten mäter höjden på isytan, som, trots sin enorma tjocklek, stiger eller faller när sjöar fylls eller töms under inlandsisen.

Studien, publicerad 7 juli in Geofysiska forskningsbrev , integrerar höjddata från ICESat-2:s föregångare, det ursprungliga ICESat-uppdraget, liksom Europeiska rymdorganisationens satellit avsedd att övervaka polar is tjocklek, CryoSat-2.

Hydrologisystem under det antarktiska inlandsisen har varit ett mysterium i årtionden. Det började förändras 2007, när Helen Amanda Fricker, en glaciolog vid Scripps Institution of Oceanography vid University of California San Diego, gjorde ett genombrott som hjälpte till att uppdatera den klassiska förståelsen av subglaciala sjöar i Antarktis.

Med hjälp av data från den ursprungliga ICESat 2007, Fricker fann för första gången att under Antarktis snabbt flödande isströmmar, ett helt nätverk av sjöar ansluter till varandra, fyllning och dränering aktivt över tid. Innan, dessa sjöar ansågs hålla smältvatten statiskt, utan att fylla och tömma.

"Upptäckten av dessa sammankopplade system av sjöar vid isbäddsgränssnittet som flyttar runt vatten, med alla dessa effekter på glaciologin, mikrobiologi, och oceanografi - det var en stor upptäckt från ICESat -uppdraget, "sade Matthew Siegfried, biträdande professor i geofysik vid Colorado School of Mines, Gyllene, Colo. och ledande utredare i den nya studien. "ICESat-2 är som att ta på sig glasögonen efter att ha använt ICESat, data är så hög precision att vi verkligen kan börja kartlägga sjögränserna på ytan."

Forskare har antagit att subglacialt vattenutbyte i Antarktis är resultatet av en kombination av faktorer, inklusive fluktuationer i trycket som utövas av den massiva vikten av isen ovanför, friktionen mellan bädden på inlandsisen och klipporna nedanför, och värme som kommer upp från jorden nedanför som är isolerad av isens tjocklek. Det är en skarp kontrast från Grönlands inlandsis, där sjöar vid isbädden fylls med smältvatten som har dränerats genom sprickor och hål på ytan.

För att studera de regioner där subglaciala sjöar fylls och dräneras oftare med satellitdata, Siegfried arbetade med Fricker, som spelade en nyckelroll i utformningen av hur ICESat-2-uppdraget observerar polaris från rymden.

Siegfried och Frickers nya forskning visar att en grupp sjöar inklusive Conway- och Mercer -sjöarna under Mercer och Whillans isströmmar i västra Antarktis upplever en dräneringsperiod för tredje gången sedan det ursprungliga ICESat -uppdraget började mäta höjdförändringar på inlandsytan år 2003. De två nyfunna sjöarna finns också i denna region.

Förutom att tillhandahålla viktig information, studien avslöjade också att konturerna eller gränserna för sjöarna kan förändras gradvis när vatten kommer in i och lämnar reservoarerna.

"Vi kartlägger verkligen alla höjdavvikelser som finns vid denna tidpunkt, "Sa Siegfried." Om det finns sjöar som fyller och dränerar, vi kommer att upptäcka dem med ICESat-2."

'Hjälper oss att observera' under inlandsisen

Exakta mätningar av basalt smältvatten är avgörande om forskare vill få en bättre förståelse av Antarktis subglaciala VVS -system, och hur allt sötvatten kan förändra hastigheten på inlandsisen ovanför eller cirkulationen av havet som det slutligen rinner in i.

Ett enormt kupolformat lager av is som täcker större delen av kontinenten, den antarktiska inlandsisen flyter långsamt utåt från den centrala delen av kontinenten som supertjock honung. Men när isen närmar sig kusten, dess hastighet ändras drastiskt, förvandlas till flodliknande isströmmar som snabbt leder isen mot havet med hastigheter upp till flera meter per dag. Hur snabbt eller långsamt isen rör sig beror delvis på hur smältvatten smörjer in isen när den glider på den underliggande berggrunden.

När inlandsisen rör sig, den lider av sprickor, sprickor, och andra brister. När sjöar under isen vinner eller tappar vatten, de deformerar också den frusna ytan ovanför. Stor eller liten, ICESat-2 kartlägger dessa höjdförändringar med en precision ner till bara några tum med hjälp av ett laserhöjdmätaresystem som kan mäta jordens yta med oöverträffade detaljer.

Att spåra dessa komplexa processer med långsiktiga satellituppdrag kommer att ge avgörande insikter om inlandsisens öde. En viktig del av vad glaciologer har upptäckt om inlandsisar under de senaste 20 åren kommer från observationer av hur polarisen förändras som svar på uppvärmningen i atmosfären och havet, men dolda processer som hur sjösystem transporterar vatten under isen kommer också att vara nyckeln i framtida studier av Antarktis isark, Sa Fricker.

"Det här är processer som pågår under Antarktis som vi inte skulle ha en aning om om vi inte hade satellitdata, " Fricker sa, understryker hur hennes upptäckt från 2007 gjorde det möjligt för glaciologer att bekräfta att Antarktis dolda VVS-system transporterar vatten mycket snabbare än tidigare trott. "Vi har kämpat med att få bra förutsägelser om Antarktis framtid, och instrument som ICESat-2 hjälper oss att observera i processskala."

"Ett vattensystem som är kopplat till hela jordsystemet"

Hur sötvatten från inlandsisen kan påverka cirkulationen av södra oceanen och dess marina ekosystem är en av Antarktis bäst bevarade hemligheter. Eftersom kontinentens subglaciala hydrologi spelar en nyckelroll för att flytta det vattnet, Siegfried betonade också inlandsisens koppling till resten av planeten.

"Det är inte bara inlandsisen vi pratar om, "Siegfried sa. "Vi pratar verkligen om ett vattensystem som är kopplat till hela jordsystemet."

Nyligen, Fricker och ett annat team av forskare utforskade denna koppling mellan sötvatten och södra oceanen - men den här gången genom att titta på sjöar nära ytan av en ishylla, en stor isplatta som flyter på havet som en förlängning av inlandsisen. Deras studie rapporterade att en stor, istäckt sjö kollapsade abrupt 2019 efter att en spricka eller spricka öppnade sig från sjöbotten till basen av Amery Ice Shelf i östra Antarktis.

Med data från ICESat-2, teamet analyserade den ojämna förändringen på ishyllans landskap. Händelsen lämnade en doline, eller sinkhål, en dramatisk depression på cirka fyra kvadratkilometer (cirka 10 kvadratkilometer), eller mer än tre gånger så stor som New York Citys Central Park. Sprickan ledde nästan 200 miljarder liter sötvatten från ytan av ishyllan till havet nedanför inom tre dagar.

Under sommaren, tusentals turkosa smältvattensjöar pryder den ljusa vita ytan på Antarktis ishyllor. Men denna plötsliga händelse inträffade mitt i vintern, när forskarna förväntar sig att vattnet på ishyllans yta är helt fruset. Eftersom ICESat-2 kretsar kring jorden med exakt upprepade markspår, dess laserstrålar kan visa den dramatiska förändringen i terrängen före och efter att sjön dränerats, även under polarvinterns mörker.

Roland Warner, en glaciolog med Australian Antarctic Program Partnership vid University of Tasmania, och huvudförfattare till studien, såg först den ärrade ishyllan på bilder från Landsat 8, ett gemensamt uppdrag av NASA och U.S. Geological Survey. Dräneringshändelsen orsakades troligen av en hydrofraktureringsprocess där massan av sjöns vatten ledde till att en ytspricka kördes rakt igenom ishyllan till havet nedanför, Sa Warner.

"På grund av förlusten av denna vikt av vatten på ytan av den flytande ishyllan, det hela böjer sig uppåt centrerat på sjön, " Sa Warner. "Det är något som skulle ha varit svårt att lista ut bara genom att stirra på satellitbilder."

Smältvattensjöar och bäckar på Antarktis ishyllor är vanliga under de varmare månaderna. Och eftersom forskare förväntar sig att dessa smältvattensjöar kommer att bli vanligare när lufttemperaturerna blir varmare, risken för hydrosprickning kan också öka under kommande decennier. Fortfarande, teamet drog slutsatsen att det är för tidigt att avgöra om uppvärmning i Antarktis klimat orsakade att den observerade sjön på Amery Ice Shelf dog.

Att bevittna bildandet av en doline med höjdmätningsdata var en sällsynt möjlighet, men det är också den typ av händelse glaciologer behöver analysera för att studera all isdynamik som är relevant i modeller av Antarktis.

"Vi har lärt oss så mycket om inlandsisens dynamiska processer från satellithöjdsmätning, det är viktigt att vi planerar för nästa generations höjdmätarsatelliter för att fortsätta detta rekord, " sa Fricker.