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

De oceaanbodem onder de ijsplaten van Antarctica is geen vlak, kenmerkloos vlak. Het is een landschap dat door oude krachten is uitgesleten en door bewegend ijs is herschapen, gevuld met diepe troggen en ondiepe ruggen die fungeren als poortwachters voor het water dat onder het ijs stroomt. Deze onderwater topografie is cruciaal omdat het bepaalt hoe warm water uit de diepe oceaan de basis van de gletsjers bereikt. Wanneer dit warme water, bekend als gemodificeerd Circumpolair Diep Water, de diepe kanalen binnenstroomt, smelt het het ijs van onderaf, waardoor de ijsplaten dunner worden en de gletsjers zich terugtrekken. Echter, decennialang hebben wetenschappers geprobeerd dit verborgen landschap duidelijk te zien. Dik, hardnekkig zeeijs heeft schepen verhinderd om dicht bij de gletsjerfronten te varen, waardoor er grote gaten in onze kaarten zijn ontstaan. Zonder nauwkeurige kaarten van de diepte en de vorm van deze onderwaterkanalen is het onmogelijk om te voorspellen hoe de oceaan in de toekomst met het ijs zal interageren, of om te begrijpen hoe de ijskapten zich tijdens eerdere klimaatveranderingen gedroegen.

Een team van onderzoekers onder leiding van Masakazu Fujii en Yoshifumi Nogi van het Nationaal Instituut voor Polair Onderzoek in Japan heeft eindelijk enkele van deze ontbrekende stukjes ingevuld voor een specifiek gebied genaamd Lützow-Holm Bay in Oost-Antarctica. Door gebruik te maken van zeldzame zomers waarin het zeeijs genoeg opbrak om een schip door te laten, voeren zij dicht bij de gletsjerfronten en gebruikten zij geluidsgolven om de zeebodem met verbeterde positionele nauwkeurigheid in kaart te brengen. Hun werk onthult een complex netwerk van diepe geulen en ondiepe drempels die zijn gevormd door de onderliggende rotsstructuur van de aardkorst. Ze ontdekten dat de diepte van de kanalen die naar verschillende gletsjers leiden aanzienlijk varieert, wat natuurlijke barrières creëert die warm water kunnen doorlaten of blokkeren. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de richting en locatie van deze diepe kanalen overeenkomen met oude scheuren en grenzen in het gesteente, wat suggereert dat de geologie van het continent hielp bepalen waar de ijsstromen miljoenen jaren geleden de diepste paden uitsleten.

De onderzoekers voerden hun survey uit tijdens drie afzonderlijke zomers tussen 2016 en 2018, waarbij zij het Japanse ijsbreker schip Shirase gebruikten om door de baai te navigeren. Zij gebruikten een hoogwaardig single-beam akoestisch systeem om dieptemetingen te verkrijgen langs de vaarroutes van het schip. Ze verzamelden meer dan 900.000 individuele dieptemetingen, wat een gedetailleerd beeld van de zeebodem opleverde dat nauwkeuriger was dan eerdere kaarten. Om deze metingen correct te maken, hielden zij rekening met de snelheid van het geluid in het water, die verandert met temperatuur en zoutgehalte. Door hun nieuwe gegevens te combineren met oudere, minder nauwkeurige metingen die in het verleden vanuit het zeeijs zijn genomen, produceerden zij een uitgebreide kaart van de onderwatergeometrie van de baai.

De nieuwe kaart toont een opvallend verschil in de diepte van de kanalen die naar de verschillende gletsjers in de baai leiden. Het hoofdkanaal voor de Shirase-gletsjer is diep en breed, met dieptes van meer dan 1.000 meter, en verbindt zich rechtstreeks met de diepe oceaan via een opening die ongeveer 740 meter diep is. Deze diepe verbinding betekent dat warm water relatief gemakkelijk naar de basis van de Shirase-gletsjer kan stromen. In tegenstelling hiertoe worden de kanalen die naar de Skallen-, Telen- en Honnør-gletsjers leiden, gescheiden van de hoofdgeul door ondiepe onderwaterruggen, of drempels. De ingang van de Skallen- en Telen-geulen wordt geblokkeerd door een drempel van ongeveer 580 meter diep, terwijl de ingang van de Honnør-geul nog ondieper is, op ongeveer 480 meter. Deze ondiepe ruggen fungeren als drempels; ze stoppen het warme water niet volledig, maar ze maken het moeilijker voor gemodificeerd Circumpolair Diep Water om de gletsjerfronten te bereiken. Of het warme water deze drempels kan passeren, hangt af van de oceaancondities op dat moment, maar de fysieke vorm van de zeebodem bepaalt het toneel voor deze interacties.

De studie onderzocht ook waarom deze kanalen en ruggen zich op hun specifieke locaties bevinden. De onderzoekers vergeleken de nieuwe bathymetrische kaart met gegevens over magnetische anomalieën in het gebied, die de structuur van het oude gesteente onthullen dat verborgen ligt onder het ijs en sediment. Ze ontdekten dat het noordwest-zuidoost lopende segment van de trog ruimtelijk is uitgelijnd met een belangrijke magnetische grens in de aardkorst. Deze grens is een restant van oude tektonische activiteit toen het supercontinent Gondwana uiteenviel. De uitlijning suggereert dat het ijs deze kanalen niet willekeurig heeft uitgesleten; in plaats daarvan volgden de gletsjers bestaande zwakheden en breuken in het gesteente, die ze in de loop der tijd verder hebben verdiept. Dit betekent dat de vorm van het onderwaterlandschap vandaag de dag een resultaat is van zowel de oude geologie van het continent als de erosieve kracht van de ijsplaten die er gedurende duizenden jaren overheen zijn gestroomd.

Deze bevindingen hebben belangrijke implicaties voor het begrijpen van hoe de Antarctische ijskap reageert op een opwarmend klimaat. De diepte van de drempels en de uitlijning van de geulen bepalen hoe gemakkelijk warm oceaanwater de ijs kan bereiken. Als het water diep genoeg is om over de drempels te stromen, kan het het smelten versnellen en de ijsplaten destabiliseren. De onderzoekers suggereren dat de gesegmenteerde aard van de geulen, met hun variërende dieptes en verbindingen, een complex systeem creëert waarbij verschillende gletsjers verschillend kunnen reageren op dezelfde oceaancondities. De Shirase-gletsjer heeft een dieper en meer continu potentieel pad voor toegang tot warm water, terwijl ondiepere drempels de toegang tot de troggen van de Skallen-, Telen- en Honnør-gletsjers kunnen beperken. De werkelijke effectiviteit van deze paden hangt af van de variërende oceaancondities in de tijd. Deze structurele controle helpt verklaren waarom sommige delen van de ijskap sneller kunnen terugtrekken dan andere.

Het artikel beweert niet de volledige puzzel van de interactie tussen ijs en oceaan te hebben opgelost, noch biedt het een definitieve voorspelling van toekomstige smeltingssnelheden. In plaats daarvan biedt het een cruciaal geometrisch kader dat wetenschappers nu kunnen gebruiken om betere computermodellen te bouwen. Door precies te weten waar de diepe kanalen liggen en hoe diep de ondiepe barrières zijn, kunnen onderzoekers de stroom van warm water met grotere nauwkeurigheid simuleren. De studie benadrukt ook dat de geschiedenis van de aardkorst niet alleen een verslag is van het verre verleden; het vormt actief het huidige klimaatsysteem door de paden van de oceaan te controleren. Het werk onderstreept de waarde van zeldzame kansen om gegevens te verzamelen in afgelegen, door ijs bedekte regio's, en laat zien dat zelfs kleine verbeteringen in onze kennis van de zeebodem kunnen leiden tot een veel helderder begrip van de krachten die de verandering in Antarctica drijven.