Antarktis har en enorm mantelplym under sig, vilket kan förklara varför dess inlandsis är så instabil
Under den antarktiska inlandsisen ligger en kontinent som är täckt av floder och sjöar, varav den största är lika stor som Lake Erie. Under loppet av ett vanligt år smälter inlandsisen och återfryser, vilket gör att sjöar och floder periodvis fylls och dräneras snabbt från smältvattnet. Denna process gör det lättare för Antarktis frusna yta att glida runt och att stiga och falla på vissa ställen med så mycket som 6 meter (20 fot).
Enligt a ny studie ledd av forskare från NASA:s Jet Propulsion Laboratory kan det finnas en mantelplym under området som kallas Marie Byrd Land. Förekomsten av denna geotermiska värmekälla kan förklara en del av smältningen som sker under plåten och varför den är instabil idag. Det kan också hjälpa till att förklara hur arket kollapsade snabbt tidigare under tidigare perioder av klimatförändringar.
Studien, med titeln ' Inverkan av en västantarktisk mantelplym på inlandsisens basala förhållanden “, dök nyligen upp iJournal of Geophysical Research: Solid Earth. Forskargruppen leddes av Helene Seroussi från Jet Propulsion Laboratory, med stöd från forskare från Institutionen för jord- och planetvetenskap vid Washington University och Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research i Tyskland.
Glaciärer sågs under NASA:s forskningsflygning Operation IceBridge till Västantarktis den 29 oktober 2014. Kredit: NASA/Michael Studinger
Rörelsen av Antarktis inlandsis över tiden har alltid varit en källa till intresse för jordforskare. Genom att mäta hastigheten med vilken inlandsisen stiger och faller kan forskare uppskatta var och hur mycket vatten som smälter vid basen. Det är på grund av dessa mätningar som forskare först började spekulera om närvaron av värmekällor under Antarktis frusna yta.
Förslaget om att det finns en mantelplym under Marie Byrd Land kom först för 30 år sedan av Wesley E. LeMasurier , en forskare från University of Colorado Denver. Enligt den forskning han utförde utgjorde detta en möjlig förklaring till regional vulkanisk aktivitet och en topografisk kupolfunktion. Men det var först på senare tid som seismiska avbildningsundersökningar erbjöd stödjande bevis för denna mantelplym.
Men direkta mätningar av regionen under Marie Byrd Land är för närvarande inte möjliga. Därav varför Seroussi och Erik Ivins från JPL förlitade sig på Modell av inlandsissystem (ISSM) för att bekräfta förekomsten av plymen. Denna modell är i huvudsak en numerisk skildring av inlandsisens fysik, som utvecklades av forskare vid JPL och University of California, Irvine.
För att säkerställa att modellen var realistisk utgick Seroussi och hennes team från observationer av höjdförändringar på inlandsisen som gjorts under många år. Dessa utfördes av NASA Is, moln och landhöjdsatellit (ICESat) och deras luftburna Operation IceBridge kampanj. Dessa uppdrag har mätt Antarktis istäcke i flera år, vilket har lett till att han skapat mycket exakta tredimensionella höjdkartor.
En vy av berg och glaciärer i Antarktis Marie Byrd Land sett under IceBridge-undersökningsflygningen den 2 november 2014. Kredit: NASA / Michael Studinger
Seroussi förbättrade också ISSM till att inkludera naturliga värmekällor och värmetransport som resulterar i frysning, smältning, flytande vatten, friktion och andra processer. Dessa kombinerade data satte kraftfulla begränsningar på de tillåtna smälthastigheterna i Antarktis och gjorde det möjligt för teamet att köra dussintals simuleringar och testa ett brett utbud av möjliga platser för mantelplymen.
Vad de fann var att värmeflödet som orsakades av mantelplymen inte skulle överstiga mer än 150 milliwatt per kvadratmeter. Som jämförelse upplever regioner där det inte finns någon vulkanisk aktivitet typiskt ett prestationsflöde på mellan 40 och 60 milliwatt, medan geotermiska hotspots – som den under Yellowstone nationalpark – uppleva i snitt cirka 200 milliwatt per kvadratmeter.
Där de genomförde simuleringar som översteg 150 milliwatt per kvadratmeter var smälthastigheten för hög jämfört med rymdbaserad data. Förutom på en plats, som var ett område inåt Rosshavet, som är känt för att uppleva intensiva vattenflöden. Denna region krävde ett värmeflöde på minst 150 till 180 milliwatt per kvadratmeter för att anpassa sig till dess observerade smälthastigheter.
I denna region har seismisk avbildning också visat att uppvärmning kan nå inlandsisen genom en spricka i jordens mantel. Även detta överensstämmer med en mantelplym, som tros vara smala strömmar av het magma som stiger upp genom jordens mantel och breder ut sig under jordskorpan. Denna trögflytande magma ballonger sedan under skorpan och får den att bukta uppåt.
Temperaturförändringar i Antarktis istäcke under de senaste 50 åren, mätt i grader Celsius. Kredit: NASA/GSFC Scientific Visualization Studio
Där is ligger över toppen av plymen överför denna process värme till inlandsisen, vilket utlöser betydande smältning och avrinning. Till slut ger Seroussi och hennes kollegor övertygande bevis – baserat på en kombination av ytdata och seismiska data – för en ytplym under inlandsisen i Västantarktis. De uppskattar också att denna mantelplym bildades för ungefär 50 till 110 miljoner år sedan, långt innan den västantarktiska istäcket kom till.
För ungefär 11 000 år sedan, när den senaste istiden tog slut, upplevde inlandsisen en period av snabb, ihållande isförlust. När globala vädermönster och stigande havsnivåer började förändras pressades varmt vatten närmare inlandsisen. Seroussi och Irvins studie tyder på att mantelplymen skulle kunna underlätta denna typ av snabba förluster idag, ungefär som den gjorde under den sista starten av en interglacial period.
Att förstå källorna till förlust av inlandsisar under Västantarktis är viktigt när det gäller att uppskatta den hastighet med vilken is kan förloras där, vilket i huvudsak handlar om att förutsäga effekterna av klimatförändringar. Med tanke på att jorden återigen går igenom globala temperaturförändringar – den här gången på grund av mänsklig aktivitet – är det viktigt att skapa exakta klimatmodeller som låter oss veta hur snabbt polarisen kommer att smälta och havsnivån kommer att stiga.
Det informerar också vår förståelse av hur vår planets historia och klimatförändringar är kopplade, och vilken effekt dessa hade på dess geologiska utveckling.
Vidare läsning: NASA , Journal of Geophysical Research