Grupa międzynarodowych badaczy wykorzystała zaawansowaną technologię podwodną opracowaną w ramach MBARI do badania i rejestrowania zmian w podwodnym krajobrazie w odległym regionie Arktyki, koncentrując się na skutkach topnienia wiecznej zmarzliny i tworzeniu się nowego lodu.
Naukowcy z Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) we współpracy z międzynarodowym zespołem odkryli rozległe podwodne formacje lodowe wzdłuż krawędzi kanadyjskiego Morza Beauforta, w odległym regionie Arktyki. Odkrycie to odkrywa nieznany wcześniej proces przyczyniający się do ciągłego tworzenia się podwodnego lodu wiecznej zmarzliny.
W poprzednim badaniu MBARI naukowcy zaobserwowali na tym obszarze ogromne kratery na dnie morskim, które przypisuje się topnieniu starożytnej wiecznej zmarzliny zanurzonej pod wodą. Badając zbocza tych kraterów podczas kolejnej wyprawy, badacze MBARI i współpracownicy z Koreańskiego Instytutu Badań Polarnych (KOPRI), Koreańskiego Instytutu Nauk o Ziemi i Zasobów Mineralnych, Kanadyjskiej Służby Geologicznej i Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych zaobserwowali odsłonięte warstwy podwodnego lodu wiecznej zmarzliny.
Tworzenie się lodu wiecznej zmarzliny współczesnej łodzi podwodnej
Niedawno odkryte warstwy lodu nie są tym samym, co starożytna wieczna zmarzlina powstała podczas ostatniej epoki lodowcowej, ale raczej powstały w obecnych warunkach. Lód ten powstaje, gdy topnieją głębsze warstwy dawnej wiecznej zmarzliny łodzi podwodnych, tworząc słonawą wodę gruntową, która podnosi się i ponownie zamarza, gdy zbliża się do dna morskiego, gdzie temperatura otoczenia wynosi około -1,4 stopnia. Celsjusz (29,5 stopnia Fahrenheita).
Złożona morfologia dna morskiego w tym regionie Arktyki opowiada historię obejmującą zarówno topnienie starożytnej wiecznej zmarzliny, która dawno temu została zanurzona pod powierzchnią morza, jak i zniekształcenie współczesnego dna morskiego, które ma miejsce w wyniku ponownego zamarznięcia uwolnionej wody.
Po ostatniej epoce lodowcowej poziom mórz podniósł się i pokrył starożytną wieczną zmarzlinę na szelfie arktycznym. Podstawa tej prastarej zmarzliny powoli się nagrzewa i rozmraża z powodu ciepła wypływającego z Ziemi — znacznie starsze, wolniejsze zmiany klimatyczne przyczyniają się do topnienia tej wiecznej zmarzliny arktycznej łodzi podwodnej, a nie zmiany klimatycznej spowodowanej przez człowieka. Kiedy ta woda migruje do zimniejszego dna morskiego, zamarza. Zamarznięty lód unosi grzbiety i pagórki. Woda morska przedostaje się do pokrytej pęcherzami powierzchni dna morskiego, topiąc warstwy lodu i pozostawiając po sobie ogromne zapadliska. Proces ten napędza dynamiczna zależność pomiędzy dużymi zmianami zasolenia i małymi zmianami temperatury w pobliżu dna morskiego.
Zespół badawczy opublikował nowe odkrycia w czasopiśmie „ Journal of Geophysical Research: Powierzchnia Ziemi.
Konsekwencje dla polityki i infrastruktury dotyczącej Arktyki
„Nasza praca pokazuje, że wieczna zmarzlina aktywnie tworzy się i rozkłada w pobliżu dna morskiego na rozległych obszarach, tworząc dynamiczny podwodny krajobraz z ogromnymi zapadliskami i dużymi kopcami lodu pokrytymi osadami” – powiedział Charlie Paull, geolog z MBARI i główny autor badania. „Te dramatyczne i ciągłe zmiany w dnie morskim mają ogromne konsekwencje dla decydentów podejmujących decyzje dotyczące infrastruktury podwodnej w Arktyce”.
Od 2003 r. MBARI uczestniczy w międzynarodowej współpracy mającej na celu badanie dna morskiego na skraju kanadyjskiego szelfu arktycznego. Ten odległy obszar, który dopiero niedawno stał się dostępny dla naukowców, ponieważ wyższe temperatury spowodowały cofanie się lodu morskiego.
Przegląd map przeprowadzony przez kanadyjskich badaczy w 2010 roku po raz pierwszy pozwolił na odkrycie charakterystycznie nierównego terenu dna morskiego w regionie. W 2013 r. badacze MBARI i ich współpracownicy przeprowadzili pierwsze w tym regionie badania mapowe o wysokiej rozdzielczości. Korzystając z autonomicznego pojazdu podwodnego MBARI (AUV), zespół badawczy szczegółowo udokumentował teren dna morskiego.
Pięć badań mapowych — dwa przeprowadzone z kanadyjskich statków badawczych i trzy przy użyciu zaawansowanej technologii podwodnej MBARI — na tym obszarze w ciągu 12 lat ujawniło 65 nowo powstałych kraterów na dnie morskim. Największy krater miał wielkość sześciopiętrowego bloku miejskiego.
W 2022 roku zespół powrócił do Arktyki na pokładzie lodołamacza KOPRI Araon. Najpierw wykorzystali dwa AUV do mapowania dna morskiego MBARI, aby zidentyfikować niedawno powstałe kratery. Następnie przeprowadzili wizualne badania tych konkretnych kraterów za pomocą MiniROV firmy MBARI. Ten przenośny, zdalnie sterowany pojazd opracowany przez inżynierów MBARI można skonfigurować do różnych misji naukowych. Wyposażony w kamery i sprzęt do pobierania próbek, stał się integralną częścią badania dna morskiego Arktyki. Badając dno morskie za pomocą MiniROV, badacze zaobserwowali formacje lodowe wewnątrz dwóch niedawno utworzonych dużych kraterów na dnie morskim.
Tworzenie się lodu ze słonawych wód gruntowych
Analiza izotopowa tych formacji i próbek otaczających je osadów z dna morskiego potwierdziła, że lód pochodzi ze słonawych wód gruntowych, powstałych częściowo w wyniku topnienia starożytnej wiecznej zmarzliny unoszącej się nad dnem morskim. Podnoszące się wody gruntowe zamarzają ponownie w pobliżu dna morskiego, tworząc rozległe poddenne warstwy lodu, które powodują pęcherze na dnie morskim, tworząc kopce z rdzeniem lodowym.
Niewielkie wahania temperatury i zasolenia powodują przesunięcia między zamarzaniem wznoszących się słonawych wód gruntowych a topnieniem warstw lodu w pobliżu dna morskiego. Te ciągłe procesy współdziałają, tworząc dramatyczny krajobraz łodzi podwodnych złożony z licznych zagłębień i kopców wypełnionych lodem w różnym wieku.
„Te odkrycia podważają nasze założenia dotyczące podwodnej wiecznej zmarzliny” – powiedział Paull. „Wcześniej wierzyliśmy, że cała podwodna wieczna zmarzlina jest pozostałością po ostatniej epoce lodowcowej, ale dowiedzieliśmy się, że podmorski lód wiecznej zmarzliny również aktywnie tworzy się i rozkłada na współczesnym dnie morskim”.
Proces powstawania tych formacji lodowych pod dnem morskim nie był wcześniej rozważany i może zachodzić, gdy temperatura wód przydennych spada poniżej zera stopni Celsjusza.
„To odkrycie oznacza, że techniki, których wcześniej używaliśmy do lokalizowania wiecznej zmarzliny łodzi podwodnych, nie sprawdzają się w przypadku lodu znajdującego się blisko dna morskiego, który niedawno odkryliśmy w Arktyce. Musimy teraz ponownie sprawdzić, gdzie pod szelfem arktycznym może występować wieczna zmarzlina” – powiedział Paull.
Odniesienie: „Masywne wychodnie lodu i termokarst wzdłuż krawędzi szelfu arktycznego: produkty uboczne ciągłego zamarzania i rozmrażania wód gruntowych pod powierzchnią”, Charles K. Paull, Jong Kuk Hong, David W. Caress, Roberto Gwiazda, Ji-Hoon Kim, Eve Lundsten, Jennifer B. Paduan, Young Keun Jin, Mathieu J. Duchesne, Tae Siek Rhee, Virginia Brake, Jeffrey Obelcz i Maureen AL Walton, 25 września 2024 r., Journal of Geophysical Research: Powierzchnia Ziemi.
DOI: 10.1029/2024JF007719
Praca ta została sfinansowana przez Fundację Davida i Lucile Packardów, Koreańskie Ministerstwo Oceanów i Rybołówstwa (grant KIMST nr 20210632), Kanadyjską Służbę Geologiczną oraz Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.
