Vatten "blåsor" fångade under det tjocka inre av Grönlands inlandsis kan ge kritisk inblick i det hydrologiska nätverket som formar djupt under jordens näst största iskropp – och hur det kan destabiliseras av klimatförändringar, enligt en ny studie.

Varje år, tusentals naturliga smältvattensjöar bildas på ytan av inlandsisens höga höjder, där isen kan vara mer än en halv mil tjock. När dessa sjöar rinner ut, de bildar stora vattenfyllda hålrum mellan isen och berggrunden.

Genom att kombinera fältobservationer med matematiska modeller och laboratorieexperiment, Princeton University-ledda forskare upptäckte att dessa blåsor trycker isytan uppåt, sedan få det att gradvis falla ner när vattnet tränger in i det subglaciala dräneringssystemet, enligt en rapport i tidskriften Naturkommunikation .

Teamet visar för första gången att inlandsisens uppgång och fall orsakad av snabba sjödräneringar kan användas för att uppskatta en egenskap som kallas transmissivitet, som kännetecknar effektiviteten i de vattennät som bildas mellan isen och berggrunden. Sjödränering presenterar ett nytt verktyg för att mäta transmissivitet under inlandsområden av inlandsisen, där transmissiviteten annars är svår att mäta, rapporterade forskarna. De fann att transmissiviteten kan öka med så mycket som två storleksordningar under Grönlands sommarsmältsäsong.

Fynden kan kasta ljus över hur klimatförändringarna kommer att påverka Grönlands enorma frusna inland när planeten värms upp och ytsmältningen ökar, sa första författaren Ching-Yao Lai, en biträdande professor i geovetenskap och atmosfäriska och oceaniska vetenskaper vid Princeton. Vatten från ytsmältning kan fungera som smörjmedel, Hon sa, vilket gör att glaciären lättare glider över berggrunden.

Befintlig forskning har visat att ett viktigt sätt för ytsmältning att påverka stabiliteten på Grönlands inlandsis är genom att smältvatten smörjer inlandsisen, sa Lai. Majoriteten av dessa studier, dock, har fokuserat på låglänta områden där inlandsisen är tunnare. Tidigare studier har också föreslagit att ökad ytsmälta kan accelerera hastigheten på den höga höjden, inre inlandsis, men dessa fynd är baserade på beräkningsmodeller, snarare än observationer, sa Lai.

Papperet i Naturkommunikation ger en sällsynt, observationsbaserad inblick i de i stort sett otillgängliga vattennäten som ligger bakom Grönlands höglänta inlandsis. Studien stöddes av Princetons High Meadows Environmental Institute (HMEI) och HMEI Carbon Mitigation Initiative.

"Vi vet att när klimatet värms upp i framtiden, ytsmältzonen kan expandera och migrera till högre höjder än vad som för närvarande observeras. En stor fråga som återstår att besvara, dock, är hur mycket transmissiviteten kan öka längre in i landet, sa Lai, som är associerad fakultetsmedlem i HMEI.

"En potentiell påverkan är att kopplingen mellan ytsmälta och subglacial vattennätverksutveckling kan aktiveras inte bara på lägre höjder, som nu observerats, men även på högre höjder, ", sa hon. "Fler observationer av säsongsmässiga förändringar av subglacial transmissivitet som svar på ytsmältning skulle behövas för att verkligen förstå vad som skulle hända när smältan migrerar till högre höjdområden."

Medförfattare till artikeln från Princeton är HMEI-associerade fakultetsmedlem Howard Stone, Princetons Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i maskin- och rymdteknik och ordförande för maskin- och flygteknik, och Danielle Chase, en doktorand i Stone's Complex Fluids Group.

Studiens medförfattare inkluderade också Laura Stevens, en docent i klimat- och jordytprocesser vid University of Oxford som har lång erfarenhet av att studera sjödränering och isdynamik. Stevens hjälpte till att samla in fältobservationer på Grönland tillsammans med medförfattarna Mark Behn, en docent i jord- och miljövetenskap vid Boston College, och Sarah Das, en associerad forskare vid Woods Hole Oceanographic Institution. Timothy Creyts från Lamont-Doherty Earth Observatory vid Columbia University är också medförfattare till studien.

Forskarna använde GPS-data och fältobservationer av fem sjödräneringshändelser som inträffade mellan 2006-12 för att uppskatta dräneringsvolymen och för att observera ytförskjutningar orsakade av sjödränering och efterföljande blåsbildning.

"Vi observerade i GPS-data ett brett spektrum av avslappningstider för upplyftning av inlandsisen efter de fem dräneringshändelserna, "Sade Stevens. "Vi hade en aning om att denna spridning i avkopplingstider kan vara ett tecken på någon egenskap hos det subglaciala dräneringssystemet. Vår förståelse förbättrades avsevärt eftersom detta samarbete mellan forskare med expertis inom observation, teoretiska och experimentella tillvägagångssätt katalyserade."

Chase – som fick en HMEI Walbridge Fund Graduate Award för att studera vätskedriven sprickbildning – designade sedan en serie experiment med en typ av silikon som efterliknar den deformerbara isen ovanpå ett poröst material som representerar berggrunden. Hon injicerade vätska mellan det deformerbara arket och det porösa underlaget, observera den tid det tog för en blåsa att bildas och sedan rinna av i det porösa substratet. Arbetar med Stone och Lai, Chase utvecklade också en matematisk modell som förklarar fysiken som styr ytans lyftning och avslappning på grund av bildning av vattenblåsor. Hennes arbete är ämnet för en artikel som nyligen accepterats av tidskriften Physical Review Fluids.

"Experiment kan vara till hjälp eftersom, i labbet, vi kan kontrollera och mäta alla parametrar i systemet, vilket gjorde det möjligt för oss att testa vår modell, ", sade Chase. "Vi kan också välja idealiska material. Systemet är tillräckligt litet för att hållas i en hand och materialet är transparent, så vi kunde direkt observera formen på blåsan och dräneringen till det porösa substratet över tiden."

Studien är unik för att använda laboratorieexperiment för att undersöka naturliga processer som blåsbildning som är svåra att analysera i fält där forskare inte kan kontrollera parametrarna.

"Det är värdefullt att ha laboratoriemodeller för att bättre förstå mekanismerna bakom de komplexa formförändringar som sker i naturen, " sa Stone. "Här, Laboratorieexperimenten fångade de viktigaste mekaniska egenskaperna som observerades i fält och hjälpte oss att förstå hur inlandsisen slappnar av när vatten rinner ut längs glaciärbädden."

Pappret, "Hydraulisk transmissivitet härledd från avslappning av inlandsisen efter dränering av Grönlands supraglaciala sjö, " publicerades 25 juni i Naturkommunikation .