Subglacial hydrologi och vattenfickor under isen
Bortsett från vad som syns på ytan — sprickor, morän, blå isfärger och ablationszoner — pågår ett fullständigt hydrologi-system inuti och under varje tempererat glaciär. Vatten infiltrerar från ytan via sprickor och moulins, rör sig längs isens kornstrukturgränser, samlas i kanaler skurna in i berggrunden och bildar periodiska sjöar med extremt högt vattentryck. Denna subglaciala hydrologi är inte ett kuriosum — den är en av de primära drivkrafterna bakom glaciärernas rörelsehastighet och en avgörande faktor vid förståelsen av ispackades stabilitet under klimatförändring.
Forskning om subglacial hydrologi har exploderat sedan 1990-talet, delvis driven av förbättrad radarmätning som kan penetrera hundratals meter is och ge bilder av kanaler och sjöar utan att borra ner i isen.
Vatten infiltrerar glaciären
Smältvatten från ytan måste ta sig ner genom isen för att nå berggrunden. I sprickade zoner rör sig vattnet snabbt längs öppna sprickor, men i kompakta iskupoler är sprickor sällsynta och vattnet måste ta andra vägar.
Moulins är vertikala brunnar skurna av smältvattenströmmar som träffar isytan på rätt sätt. De kan vara från ett par centimeter till flera meter i diameter och sträcker sig ibland hundratals meter ner till glaciärens bas. Extrema moulins, som de som studerats på Grönlandsisen, kan ha diametrar på tiotals meter och transporterar smältvatten med en hastighet jämförbar med en medelstora flod.
Var vattnet slutar beror på istjockleken och trycket. I tunna glaciärer når vattnet relativt snabbt basen. I tjocka islager, som de centrala delarna av Grönlands inlandsis eller Antarktis, kan trycket frysa vattnet igen långt innan det når botten.
Kanalsystem och tryckvariationer
Vid glaciärens bas kan vatten röra sig längs berggrunden på flera olika sätt. I Röthlisberger-kanaler (R-kanaler, uppkallade efter den schweiziske glaciologen Hans Röthlisberger) strömmar vatten under högt tryck och smälter kanaler uppåt in i isbottnen. Dessa kanaler tenderar att effektivt dränera vattnet och hålla trycket relativt lågt — vilket innebär lägre glidningstendenser vid isbotten.
I kontrast till detta finns Weertman-filmflöde och kanalflöde vid sedimentlagrets kontakt, där vatten rör sig i ett tunt, utbrett lager snarare än i koncentrerade kanaler. Utbrett basalt vattenflöde håller ett högt vattentryck nära smältpunktens övertryck, vilket "smörjer" isens kontakt mot bergrunden och driver på snabbare glaciärrörelse.
Övergången mellan dessa system — från distribuerat till kanaliserat flöde — sker varje vår när smältvatten börjar strömma in i glaciären efter vinterns uppehåll, och den påverkar i mätbar grad hastigheten hos glaciärer som Jakobshavn Isbræ i Grönland och Zwally m.fl. studerat ingående.
Subglaciala sjöar
Under Antarktis inlandsis har forskare kartlagt mer än 400 subglaciala sjöar — flytande vattenmiljöer begravda under flera kilometer is. Vostoksjön, den största kända subglaciala sjön, är ungefär 250 kilometer lång och 50 kilometer bred och befinner sig under ungefär 3 700 meter is nära den ryska Vostoktationen i Öst-Antarktis.
Vattnet i Vostoksjön är flytande trots att temperaturen är under nollpunkten normalt sett, delvis på grund av trycket från den överstående isen som sänker smältpunkten, och delvis på grund av geotermisk värme underifrån. Sjön har sannolikt varit isolerad från atmosfären i miljoner år, och den vetenskapliga diskussionen om vad som lever i den — om livet alls kan existera under dessa förhållanden — pågår sedan den genomborrade i 2012.
I Island skapar vulkanisk aktivitet under Vatnajökull perifera subglaciala sjöar med dramatisk potential. Grímsvötn-sjön under Vatnajökull byggs upp av geotermisk värme och geotermisk aktivitet och tömmer sig med oregelbundna mellanrum i kraftiga jökelutbrottstövlar (jökulhlaup) som fyller Skeiðarasandur-delta med vatten, is och sediment. Det senaste stora utbrottet inträffade 1996 och tömde uppskattningsvis 3,2 kubikkilometer vatten under loppet av dagar.
Vattenfickor och glaciärinstabilitet
Utöver de kända subglaciala sjöarna dokumenteras nu med satellit och radar en annan typ av subglacial vattenlagring: temporära vattenfickor som fylls och töms på tidsskalor från veckor till månader. På Grönlands inlandis har studier med ICESat-satellitens laseraltimetri avslöjat isbäddsdeformationer som tyder på att dessa kortlivade sjöar uppstår och töms under isen på sätt som direkt påverkar isflödeshastigheten.
Mekanismen är att vattenfickans plötsliga tömning skickar en puls av vatten nedströms i kanalsystemet. Det temporärt förhöjda trycket sprider sig längs basalt vattenfilm och driver kortvariga accelerationer i isflödet som kan mätas med GPS på isen. I Jakobshavn Isbræ-systemet har sådana korttidsaccelerationer studerats som delar av det komplexa samspelet mellan ytavsmältning och isdynamik.
Subglacial hydrologi och havsytestigning
Kopplingen mellan subglacial hydrologi och havsytestigning är ett av de mest aktiva forskningsområdena inom glaciologi. Bottenvattentrycket är en primär regulator av isflödeshastigheten; om smältvattentillförseln till isens bas ökar, ökar potentiellt isflödeshastigheten och kalvningsfrekvensen vid iskanten.
Modeller som försöker förutsäga Grönlandsisens och Väst-Antarktisens bidrag till framtida havsytestigning måste inkludera subglaciala hydrologiparametrar för att ge tillförlitliga resultat, men dessa parametrar är bland de svårast mätbara i hela glaciologin — de kräver antingen djupa borrkärnor, radar-tomografi eller geofysiska inferenser.
Utforskning och mättekniker
Hur vet vi vad som händer under isen? Metoder inkluderar borrhålsmätningar (direkta observationer via borrkärnor och kameror), radar-sondering som avbildar isens basyta och eventuella sjöar, seismisk monitorering som detekterar vattenrörelser, och ytgeodesi med GPS och satellitaltimetri som mäter vertikala deformationer.
Borrhålsmätningar vid Haut Glacier d'Arolla i Schweiz, utförda under 1980- och 1990-talen av Martyn Tranter och kollegor, gav de första direkta tryckmätningarna i ett subglacialt kanalsystem och lade grunden för den moderna förståelsen av basalt vattentryck. Undersök glacier-platser runt om i världen via kartan och se var pågående hydrologiforskning bedrivs.