Ученые обнаружили огромный водоносный слой древней морской воды под Антарктидой

Под быстротекущим ледяным потоком в Западной Антарктиде ученые обнаружили обширный водоносный слой, наполненный морской водой, которая, вероятно, хранилась там тысячи лет. 

Впервые ученые обнаружили подземные воды под ледяным потоком в Антарктиде, и это открытие может изменить наше понимание того, как холодный континент реагирует на изменение климата и какие таинственные организмы скрываются под его многочисленными ледяными шельфами.   

Обнаруженную систему подземных вод можно представить как гигантскую губку, состоящую из пористых отложений и насыщенную водой, говорит Хлоя Д. Густафсон, ведущий автор нового исследования погребенного водоносного горизонта, ранее работавшая геофизиком в Обсерватории Земли Ламонт-Доэрти Колумбийского университета, а теперь работающая в Океанографическом институте Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Толщина наблюдаемой нами "губки" составляет от полукилометра до двух километров [0,3-1,2 мили], так что она довольно глубокая", - сказала она в интервью Live Science.

Густафсон и ее коллеги описали огромный водоносный слой в докладе, опубликованном в четверг (5 мая) в журнале Science. Водоносный слой находится под тем же ледяным потоком, что и подледниковое озеро Уилланс, которое расположено на меньшей глубине, около 2 625 футов (800 метров) подо льдом.

"Для меня самым удивительным результатом является огромный объем воды, содержащейся в водоносном слое", - сказал Винни Чу, геофизик ледников из Школы наук о Земле и атмосфере Технологического института Джорджии, который не принимал участия в исследовании.

Авторы подсчитали, что огромный водоносный горизонт содержит более чем в 10 раз больше воды, чем в более мелкой системе озер и рек, расположенных у основания ледяного шельфа. В эту неглубокую систему входит озеро Уилланс, площадь которого составляет 20 квадратных миль (60 квадратных километров), а глубина - около 7 футов (2,1 м).

МРТ Земли 

Ученые давно предполагали, что под антарктическим льдом могут скрываться огромные водоносные горизонты, отчасти потому, что ледяные потоки и ледники континента скользят по слою проницаемых отложений, через которые должна проникать вода, сказала Чу.

Однако до сих пор технологические ограничения не позволяли исследователям собрать прямые доказательства существования таких глубоких гидрологических систем, то есть систем, состоящих из воды, пояснила она. Вместо этого исследования были сосредоточены на относительно мелких озерах и реках, расположенных у основания ледников и ледяных шельфов или вблизи них.

Чтобы заглянуть за пределы этих мелководных систем в скрытые под ними глубины, Густафсон и ее коллеги использовали метод под названием "магнитотеллурическая съемка". Они провели измерения в ледяном потоке Уилланса в Западной Антарктиде - движущемся поясе льда толщиной около 0,5 мили (0,8 км), который перемещается на 6 футов (1,8 м) в день в направлении близлежащего шельфового ледника Росса.

Магнитотеллурическая съемка основана на электромагнитных полях, создаваемых солнечными ветрами, взаимодействующими с ионосферой Земли - плотным слоем молекул и электрически заряженных частиц в верхних слоях атмосферы.

Когда солнечные ветры ударяют по ионосфере, они возбуждают находящиеся в ней частицы и генерируют движущиеся электромагнитные поля, которые проникают сквозь поверхность Земли. Эти движущиеся поля затем вызывают вторичные поля во льду, снеге и отложениях, и именно эти вторичные поля измеряют магнитотеллурические приборы. Команда закопала эти приборы в неглубокие ямы в снегу и собрала данные примерно из четырех десятков различных мест на ледяном потоке.

"Эти вторичные поля очень тесно связаны с геологией и гидрологией", что означает, что лед выглядит совсем иначе, чем отложения, соленая вода выглядит иначе, чем пресная, и так далее, сказал Густафсон.

"Это все равно, что сделать МРТ Земли, и наш сигнал исходит от солнца, взаимодействующего с магнитным полем Земли", - сказала она. 

Другие группы ученых уже использовали этот мега-МРТ в Антарктиде для изучения земной коры и верхней мантии; эти исследования начались еще в 1990-х годах, согласно обзору 2019 года в журнале Surveys in Geophysics.

Вместо этого команда Густафсона провела измерения с меньшей глубины, от основания ручья до глубины около 3 миль (5 км). Там они обнаружили толстую губку из осадочных пород с невероятно соленой морской водой на самой большой глубине и пресной водой в самой мелкой части, где губка подходит к ледяному потоку. 

По словам Густафсона, этот градиент свидетельствует о том, что мелководные подледниковые системы связаны с глубоко залегающим водоносным горизонтом, и что оба они, вероятно, влияют на ледяной поток, расположенный выше.

"Сейчас неясно, может ли водоносный горизонт время от времени обмениваться водой с подледниковой гидрологией или это односторонний обмен", когда вода из ледникового потока просачивается вниз, а затем некоторое время сохраняется в водоносном горизонте, сказал Чу. 

В зависимости от сценария, водоносный горизонт может смазывать ледяной поток, периодически закачивая воду в подледниковую систему, или удалять воду из системы; обе эти динамики повлияют на течение ледяного потока выше, добавил Чу.

По словам Густафсона, обмен водой между глубинной и мелководной системами также может повлиять на то, какие виды микроорганизмов растут под ледяным потоком и как эти микроорганизмы выживают. Это связано с тем, что поток жидкой воды через водоносный горизонт и взаимосвязанные озера и реки, расположенные выше, стимулирует поток питательных веществ в экосистеме. Кроме того, градиент от соленой воды к пресной определяет, какие виды микробов могут выжить в каждой среде.

Что касается самой соленой воды в глубинах водоносного горизонта, авторы предположили, что она, вероятно, поступала из океана в систему подземных вод примерно 5-7 тысяч лет назад, во время теплого периода в середине эпохи голоцена, когда ледниковый щит Западной Антарктиды отступал.

Затем, "когда ледниковый щит отступил, наличие толстого льда перекрыло доступ океана к дну, и остатки морской воды были запечатаны в виде грунтовых вод под ледяным потоком Уилланс", - написал Чу в комментарии к исследованию, также опубликованному 5 мая в журнале Science.

Водоносный слой под ледяным потоком Уилланс обнаружен впервые, но исследовательская группа подозревает, что подобные гидрологические системы находятся под всеми ледяными потоками в Антарктиде и только ждут своего открытия. Эти системы подземных вод, вероятно, "простираются на сотни километров вглубь ледяного щита", - сказал Густафсон. Следующим шагом будет сбор доказательств существования таких систем в других местах континента и сравнение того, что они обнаружили в Уиллансе, с другими регионами. 

В частности, как может отличаться водоносный слой под быстро истончающимся ледником Твейтса, который еще называют "ледником Судного дня", от водоносного слоя под Уиллансом, и как эти глубинные системы влияют на течение и таяние вышележащего льда? По словам Густафсона, существующие модели ледниковых потоков не учитывают такие водоносные горизонты, поэтому это будет интересной областью исследований в будущем. 

"Нам еще многое предстоит узнать о взаимосвязи между гидрологией подземных вод и остальной гидрологией ледяного щита, прежде чем мы сможем сказать что-то конкретное о том, как гидрология подземных вод может повлиять на последствия изменения климата в Антарктиде", - сказал Чу.