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

南極の棚氷の下に広がる海底は、平坦で特徴のない平原ではありません。それは、古代の力によって刻まれ、移動する氷によって形を変えられた景観であり、氷の下を流れる水の門番として機能する深い溝や浅い隆起に満ちています。この水中の地形は極めて重要です。なぜなら、それが深海からの温かい水が氷河の底部にどのように到達するかを制御しているからです。この「改変された周極深層水（modified Circumpolar Deep Water）」として知られる温かい水が深いチャネルへと流れ込むと、氷の下から氷を融解させ、棚氷を薄くさせ、氷河を後退させます。しかし、数十年にわたり、科学者たちはこの隠された景観を明確に捉えることに苦労してきました。厚く停滞する海氷が、船舶が氷河の前縁に接近して航行することを阻んできたため、地図には大きな空白が残されてきました。これらの水中のチャネルの深さや形状に関する正確な地図がなければ、将来的に海洋が氷とどのように相互作用するかを予測したり、過去の気候変動において氷床がどのように振る舞ったかを理解したりすることは不可能です。

日本の国立極地研究所の藤井正和氏と野木義文氏を中心とする研究チームは、東南極のルッツォー・ホルム湾と呼ばれる特定の領域において、ついにこれらの欠落していたピースの一部を埋めました。海氷が十分に割れて船が通過できるようになった稀な夏季を利用し、彼らは氷河の前縁近くまで航行し、音波を用いて海底をマッピングしました。彼らの研究は、地球の地殻の基礎となる岩石構造によって形成された、深い溝と浅いシル（敷居）の複雑なネットワークを明らかにしています。彼らは、異なる氷河へと続くチャネルの深さが著しく異なることを発見しました。これは、温かい水の流れを許容することもあれば、遮断することもある自然の障壁を作り出しています。さらに、研究者たちは、これらの深いチャネルの方向と位置が、岩盤にある古代の裂け目や境界線と一致していることを発見しました。これは、大陸の地質学が、何百万年も前に氷が最も深い経路を刻む場所を導いたことを示唆しています。

研究者たちは2016年から2018年までの3回の夏季に、日本の砕氷船「しらせ」を使用して調査を行いました。彼らは、船の航跡に沿って水深を測定するために、高解像度のシングルビーム音響システムを使用しました。彼らは90万件を超える個別の深度測定値を収集し、従来の地図よりも位置精度を高めた詳細な海底の姿を作り上げました。これらの測定値の正確性を確保するため、温度や塩分によって変化する水中での音速を考慮に入れました。新しいデータと、過去の海氷から得られた精度に劣る古い測定値を組み合わせることで、彼らは湾の水中幾何学に関する包括的な地図を作成しました。

新しい地図は、湾内の様々な氷河へと続くチャネルの深さに顕著な違いがあることを示しています。白瀬氷河の前方にある主要なチャネルは深く広く、深さは1,000メートルを超え、約740メートルの深さを持つ入り口を通じて外洋と直接つながっています。この深い接続により、温かい水が白瀬氷河の底部に向かって比較的容易に流れ込むことが可能になります。対照的に、スカレン、テレン、およびホンノル氷河へと続くチャネルは、浅い水中の隆起、すなわちシルによって隔てられています。スカレンとテレンの溝への入り口は、深さ約580メートルのシルによって遮られており、ホンノルの溝への入り口はさらに浅く、約480メートルです。これらの浅い隆起は閾値として機能します。これらは温かい水を完全に止めることはありませんが、改変された周極深層水が氷河の前縁に到達することを困難にします。温かい水がこれらの閾値を越えられるかどうかは、その時の海洋条件に依存しますが、海底の物理的な形状がこれら相互作用の舞台を設定しているのです。

研究では、なぜこれらのチャネルや隆起が特定の場所に存在するのかについても調査しました。研究者たちは、新しい水深図を、氷や堆積物の下に隠された古代の岩盤の構造を明らかにするこの地域の磁気異常データと比較しました。その結果、北西から南東へと走る溝のセグメントが、地球の地殻における主要な磁気境界と空間的に一致していることが分かりました。この境界は、超大陸ゴンドワナが分裂した際の古代の構造活動の名残です。この一致は、氷がこれらのチャネルをランダムに刻んだのではなく、氷河が既存の岩盤の弱点や亀裂に従い、それらを深化させたことを示唆しています。つまり、今日の水中の景観の形状は、大陸の古代の地質と、何千年も前からその上を流れてきた氷床の侵食力の両方の結果なのです。

これらの知見は、温暖化する気候に対して南極氷床がどのように反応するかを理解する上で重要な意味を持ちます。シルの深さと溝の配置は、温かい海水がいかに容易に氷に到達するかを決定します。水がシルを越えられるほど深ければ、氷の融解を加速させ、棚氷を不安定化させる可能性があります。研究者たちは、溝が分断されている性質（様々な深さと接続を持つこと）が、同じ海洋条件に対しても異なる氷河が異なる反応を示す可能性のある複雑なシステムを作り出していることを示唆しています。例えば、白瀬氷河は温かい水がアクセスできる深く連続的な経路を持っていますが、一方で浅いシルはスカレン、テレン、およびホンノル氷河の前方の溝へのアクセスを制限する可能性があります。これらの経路が実際にどの程度効果的に機能するかは、時々刻々と変化する海洋条件に依存します。この構造的な制御は、なぜ氷床の一部が他の部分よりも早く後退する可能性があるのかを説明する助けとなります。

本論文は、氷と海洋の相互作用というパズルの全容を解明したと主張しているわけでも、将来の融解率を確定的に予測するものでもありません。そうではなく、科学者がより優れたコンピュータモデルを構築するために使用できる、極めて重要な幾何学的枠組みを提供しています。深いチャネルがどこにあり、浅い障壁がどの程度の深さであるかを正確に知ることで、研究者は温かい水の流れをより正確にシミュレートできます。この研究は、地球の地殻の歴史が単なる遠い過去の記録ではなく、海洋の経路を制御することで、現在進行形の気候システムを能動的に形作っていることを浮き彫りにしています。この研究は、遠隔の氷に覆われた地域からデータを収集する貴重な機会の価値を強調しており、海底に関する知識のわずかな改善であっても、南極を駆動する変化の力に対する理解をより明確にできることを示しています。