一项新的研究表明，被困在格陵兰岛厚厚的冰盖内部下方的水“水泡”可以为深入了解地球第二大冰体下方的水文网络提供重要见解，以及气候变化可能如何破坏它的稳定。
每年，数以千计的天然融水湖会在冰盖高海拔内部的表面形成，那里的冰层厚度可能超过半英里。随着这些湖泊的排水，它们在冰和基岩之间形成了巨大的充满水的空腔。
普林斯顿大学领导的研究人员通过将实地观察与数学模型和实验室实验相结合，发现这些水泡将冰表面向上推，然后随着水渗入冰下排水系统，使其逐渐下降，根据一份报告《自然通讯》杂志。
该团队首次表明，由快速湖泊排水引起的冰盖的上升和下降可用于估计一种称为透射率的特性，该特性表征了在冰和基岩之间形成的水网络的效率。研究人员报告说，湖泊排水为测量冰盖内陆地区下的透射率提供了一种新工具，否则很难测量那里的透射率。他们发现，在格陵兰岛的夏季融化季节，透射率可以增加多达两个数量级。
第一作者、普林斯顿地球科学、大气和海洋科学助理教授赖清耀说，这些发现可能揭示气候变化将如何影响格陵兰岛广阔的冰冻内部，因为地球变暖和地表融化增加。她说，地表融化产生的水可以起到润滑剂的作用，使冰川更容易滑过基岩。
赖说，现有研究表明，地表融化影响格陵兰冰盖稳定性的一个主要方式是通过融水润滑冰盖床。然而，这些研究中的大多数都集中在冰盖较薄的低海拔地区。先前的研究还表明，表面融化的增加可能会加速高海拔内部冰盖的速度，但这些发现是基于计算模型，而不是观察，赖说。
Nature Communications 上的这篇论文提供了一个罕见的、基于观察的一瞥，对格陵兰高海拔冰盖下基本无法进入的水网络进行了观察。该研究得到了普林斯顿高草地环境研究所 (HMEI) 和 HMEI 碳减排倡议的支持。
“我们知道，随着未来气候变暖，地表融化区可能会扩大并迁移到比目前观察到的更高的海拔。然而，一个仍有待回答的大问题是，内陆的透射率可以进一步增加多少，”赖说。 ，他是 HMEI 的关联教职员工。
“一个潜在的影响是，地表融化和冰下水网发展之间的联系不仅可以在目前观察到的低海拔地区被激活，而且在高海拔地区也可以被激活，”她说。“需要更多地观察冰下透射率响应地表融化的季节性变化，才能真正了解融化迁移到高海拔地区时会发生什么。”
普林斯顿大学这篇论文的合著者是 HMEI 相关教员 Howard Stone、普林斯顿大学的 Donald R. Dixon '69 和 Elizabeth W. Dixon 机械和航空航天工程教授兼机械和航空航天工程系主任，以及丹妮尔·蔡斯(Danielle Chase)，一名研究生斯通的复杂流体组。
该研究的合著者还包括牛津大学气候和地球表面过程副教授劳拉史蒂文斯，她在研究湖泊排水和冰动力学方面拥有丰富的经验。史蒂文斯与合著者、波士顿学院地球与环境科学副教授马克·贝恩和伍兹霍尔海洋研究所副科学家莎拉·达斯一起帮助收集了格陵兰的实地观察结果。来自哥伦比亚大学 Lamont-Doherty 地球观测站的 Timothy Creyts 也是这项研究的合著者。
研究人员使用 GPS 数据和 2006-12 年间发生的五个湖泊排水事件的实地观察来估计排水量并观察由湖泊排水和随后形成水泡引起的地表位移。
“我们在 GPS 数据中观察到五次排水事件后冰盖隆起弛豫时间的范围很广，”史蒂文斯说。“我们有一种暗示，这种弛豫时间的扩展可能表明冰下排水系统的某些特征。随着具有观察、理论和实验方法专业知识的研究人员之间的这种合作催化，我们的理解得到了显着提高。”
Chase 获得 HMEI Walbridge 基金研究生奖以研究流体驱动压裂，然后设计了一系列实验，使用一种硅胶模拟可变形冰覆盖在代表基岩的多孔材料上。她在可变形片材和多孔基材之间注入流体，观察气泡形成然后流入多孔基材所需的时间。Chase 还与 Stone 和 Lai 合作开发了一个数学模型，该模型解释了控制由于水泡形成而导致的表面隆起和松弛的物理原理。她的工作是最近被《物理评论流体》杂志接受的一篇论文的主题。
“实验可能会有所帮助，因为在实验室中，我们可以控制和测量系统中的所有参数，这使我们能够测试我们的模型，”蔡斯说。“我们还可以选择理想的材料。该系统小到可以用一只手握住，而且材料是透明的，因此我们能够直接观察泡罩的形状以及随着时间的推移渗入多孔基材的情况。”
这项研究是独一无二的，它使用实验室实验来研究自然过程，例如在研究人员无法控制参数的领域中难以分析的水泡形成等自然过程。
“拥有实验室模型以更好地了解自然界中发生的复杂形状变化背后的机制很有价值，”斯通说。“在这里，实验室实验捕捉到了在现场观察到的主要机械特征，并帮助我们了解了随着水沿着冰床流失，冰盖的松弛。”
