Tectonically inherited shelf bathymetry mediates ice-ocean interaction in Lützow-Holm Bay, East Antarctica

Der Meeresboden unter den Eisschelfs der Antarktis ist keine flache, merkmalslose Ebene. Er ist eine Landschaft, die von uralten Kräften geformt und durch wanderndes Eis umgestaltet wurde, gefüllt mit tiefen Gräben und flachen Rücken, die als Torwächter für das Wasser fungieren, das unter dem Eis fließt. Diese Unterwassertopografie ist entscheidend, da sie steuert, wie warmes Wasser aus dem tiefen Ozean die Basis der Gletscher erreicht. Wenn dieses warme Wasser, bekannt als modifiziertes Zirkumpolares Tiefenwasser, in die tiefen Kanäle fließt, schmilzt es das Eis von unten, was dazu führt, dass die Eisschelfs dünner werden und die Gletscher zurückweichen. Doch seit Jahrzehnten kämpfen Wissenschaftler darum, diese verborgene Landschaft klar zu sehen. Dickes, beständiges Meereis hat Schiffe daran gehindert, nahe an die Gletscherfronten heranzufahren, wodurch große Lücken in unseren Karten entstanden sind. Ohne genaue Karten über die Tiefe und Form dieser Unterwasserkanäle ist es unmöglich vorherzusagen, wie der Ozean in Zukunft mit dem Eis interagieren wird oder wie sich die Eisschilde während vergangener Klimaveränderungen verhielten.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Masakazu Fujii und Yoshifumi Nogi vom Nationalen Institut für Polarforschung in Japan hat nun einige dieser fehlenden Teile für eine spezifische Region namens Lützow-Holm-Bucht in Ostantarktika ergänzt. Indem sie die Gelegenheit nutzten, seltene Sommer, in denen das Meereis stark genug aufbrach, um ein Schiff passieren zu lassen, fuhren sie nah an die Gletscherfronten heran und kartierten den Meeresboden mit Schallwellen mit verbesserter Positionierungsgenauigkeit. Ihre Arbeit offenbart ein komplexes Netzwerk aus tiefen Trogstrukturen und flachen Schwellen, die durch die zugrunde liegende Gesteinsstruktur der Erdkruste geformt wurden. Sie fanden heraus, dass die Tiefe der Kanäle, die zu verschiedenen Gletschern führen, erheblich variiert, was natürliche Barrieren schafft, die den Fluss von warmem Wasser entweder ermöglichen oder blockieren können. Darüber hinaus entdeckten die Forscher, dass die Richtung und Lage dieser tiefen Kanäle mit alten Rissen und Grenzen im Grundgestein übereinstimmen, was darauf hindeutet, dass die Geologie des Kontinents half, die Wege zu bestimmen, in denen das Eis vor Millionen von Jahren seine tiefsten Pfade grub.

Die Forscher führten ihre Vermessungen während drei separater Sommer zwischen 2016 und 2018 durch und nutzten das japanische Eisbrecher-Schiff Shirase, um durch die Bucht zu navigieren. Sie verwendeten ein hochauflösendes Einzelstrahl-Akustiksystem, um Tiefenmessungen entlang der Schiffsrouten zu erhalten. Sie sammelten über 900.000 einzelne Tiefenmessungen und erstellten so ein detailliertes Bild des Meeresbodens, das durch die verbesserte Genauigkeit der Schiffsbeobachtungen wertvoll war. Um sicherzustellen, dass diese Messungen korrekt waren, berücksichtigten sie die Schallgeschwindigkeit im Wasser, die sich mit der Temperatur und dem Salzgehalt ändert. Durch die Kombination ihrer neuen Daten mit älteren, weniger präzisen Messungen, die in der Vergangenheit aus dem Meereis gewonnen wurden, erstellten sie eine umfassende Karte der Unterwassergeometrie der Bucht.

Die neue Karte zeigt einen markanten Unterschied in der Tiefe der Kanäle, die zu den verschiedenen Gletschern der Bucht führen. Der Hauptkanal vor dem Shirase-Gletscher ist tief und breit, erreicht Tiefen von über 1.000 Metern und verbindet sich direkt mit dem tiefen Ozean durch eine Öffnung, die etwa 740 Meter tief ist. Diese tiefe Verbindung bedeutet, dass warmes Wasser relativ leicht in Richtung der Basis des Shirase-Gletschers fließen kann. Im Gegensatz dazu sind die Kanäle, die zu den Gletschern Skallen, Telen und Honnør führen, durch flache Unterwasserrücken oder Schwellen vom Haupttrog getrennt. Der Eingang zu den Skallen- und Telen-Trogen wird durch eine Schwelle von etwa 580 Metern Tiefe blockiert, während der Eingang zum Honnør-Trog mit etwa 480 Metern noch flacher ist. Diese flachen Rücken wirken als Schwellen; sie stoppen das modifizierte Zirkumpolare Tiefenwasser nicht vollständig, aber sie erschweren es dem warmen Tiefenwasser, die Gletscherfronten zu erreichen. Ob das warme Wasser diese Schwellen überqueren kann, hängt von den Bedingungen im Ozean zum jeweiligen Zeitpunkt ab, aber die physische Form des Meeresbodens setzt die Bühne für diese Interaktionen.

Die Studie untersuchte auch, warum diese Kanäle und Rücken an ihren spezifischen Standorten existieren. Die Forscher verglichen die neue Bathymetrie-Karte mit Daten über magnetische Anomalien in der Region, die die Struktur des alten Grundgesteins unter dem Eis und Sediment offenbaren. Sie fanden heraus, dass das NW-SE-verlaufende Segment des Trogabschnitts räumlich mit einer großen magnetischen Grenze übereinstimmt. Die Ausrichtung deutet darauf hin, dass das Eis diese Kanäle nicht zufällig grub; stattdessen folgten die Gletscher bereits bestehenden Schwachstellen und Brüchen im Grundgestein und vertieften diese im Laufe der Zeit. Dies bedeutet, dass die Form der Unterwasserlandschaft heute das Ergebnis sowohl der alten Geologie des Kontinents als auch der Erosionskraft der Eisschilde ist, die über sie hinweggeflossen sind.

Diese Erkenntnisse haben wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Reaktion des antarktischen Eisschilds auf ein wärmeres Klima. Die Tiefe der Schwellen und die Ausrichtung der Tröge bestimmen, wie leicht warmes Ozeanwasser das Eis erreichen kann. Wenn das Wasser tief genug ist, um über die Schwellen zu fließen, kann es das Schmelzen beschleunigen und die Eisschelfs destabilisieren. Die Forscher legen nahe, dass die segmentierte Natur der Tröge mit ihren unterschiedlichen Tiefen und Verbindungen ein komplexes System schafft, in dem verschiedene Gletscher unterschiedlich auf dieselben Ozeanbedingungen reagieren können. Der Shirase-Gletscher verfügt über einen tieferen und kontinuierlicheren potenziellen Pfad für den Zugang zu warmem Wasser, während flachere Schwellen den Zugang zu den Trogfronten der Gletscher Skallen, Telen und Honnør einschränken können. Die tatsächliche Wirksamkeit dieser Pfade hängt von den zeitlich variierenden ozeanographischen Bedingungen ab.

Die Arbeit behauptet nicht, das gesamte Rätsel der Eis-Ozean-Interaktion gelöst zu haben, noch liefert sie eine definitive Vorhersage zukünftiger Schmelzraten. Stattdessen bietet sie einen entscheidenden geometrischen Rahmen, den Wissenschaftler nun nutzen können, um bessere Computermodelle zu erstellen. Durch das Wissen darüber, wo genau die tiefen Kanäle liegen und wie tief die flachen Barrieren sind, können Forscher den Fluss von warmem Wasser mit größerer Genauigkeit simulieren. Die Studie hebt auch hervor, dass die Geschichte der Erdkruste nicht nur eine Aufzeichnung der fernen Vergangenheit ist; sie gestaltet aktiv das heutige Klimasystem, indem sie die Wege des Ozeans kontrolliert. Die Arbeit unterstreicht den Wert seltener Gelegenheiten, Daten in entlegenen, vereisten Regionen zu sammeln, und zeigt, dass selbst kleine Verbesserungen in unserem Wissen über den Meeresboden zu einem viel klareren Verständnis der Kräfte führen können, die den Wandel in der Antarktis vorantreiben.