I sommer vil Alex Anesio tilbringe tre uker omgitt av tusenvis av hull i en arktisk isplate. Han og teamet hans vil slå leir mil fra den nærmeste bosetningen, omgitt av et landskap dratt fra hverandre av enorme, ustabile sprekker. Den eneste veien inn eller ut er med helikopter. Forskernes lydbilde vil bli redusert til knusing av stegjern over isen, suset av isbreer og en og annen stønn fra en massiv isplate som omorganiserer seg selv.
Relatert innhold
- Bekreftet: Både Antarktis og Grønland mister is
"Det er som å være på en annen planet, " sier Anesio, en biogeokjemiker ved University of Bristol i England som har jobbet i Arktis i omtrent 15 år. "Det eneste du ser rundt deg er is."
Han og teamet hans vil tilbringe flere uker på denne isolerte lappen av den grønlandske isisen for å overvåke sølepytter som kan ha makt til å manipulere jordens klima.
Cyroconite hulldiametre varierer i størrelse fra bredden på en blyant til den til et søppelkaps lokk. (Joseph Cook) Evnen til å peke med planetens klima er ikke isolert til arktiske sølepytter. Mikrober i disse små bassengene og plassert i bunnsediment som er gravd miles under den antarktiske isisen, kunne ha evnen til å alvorlig endre den globale karbonsyklusen, så vel som klimaet. Og forskere har bare nylig begynt å navigere i disse små verdenene.
Pyttene som Anesio studerer kalles kryokonitthull - "cryo" som betyr is og "conite" som betyr "støv." De utvikler seg når hauger med vindblåst rusk legger seg på den hvite, reflekterende overflaten på en isbre eller is. Mørkere enn snø og is, absorberer dette rusk mer varme fra solen enn omgivelsene og får isen under til å smelte inn i sylindriske hull opp til omtrent en fot dypt.
Forskere trodde en gang at disse hullene var blottet for liv. Men forskere opplever nå at de faktisk inneholder komplekse økosystemer av mikrober som bakterier, alger og virus.
Millioner av disse hullene, som vanligvis spenner fra en blyant til bredden på et søppelkaps lokk, lager isplater i et sveitsisk ostliknende mønster rundt om i verden. Anesios team har estimert at overflaten av disse hullene globalt utgjør omtrent 9000 kvadrat miles. Det er litt mindre enn staten New Hampshire.
Når disse mørke, skumle økosystemene ekspanderer over isen, kan de føre til at det som ellers ville være en reflekterende, avkjølende overflate til å absorbere stadig mer varme fra solen. Dette kan potensielt øke hastigheten på smeltingen av grønlandsisen, rapporterte teamet i mars i tidsskriftet Geochemical Perspective Letters .
Men Anesios team har også funnet ut at organismer i disse hullene kan ha en avkjølende effekt på planeten ved aktivt å suge karbondioksid ut av atmosfæren gjennom fotosyntesen. Når mikroorganismer tar nok av denne klimagassen ut av atmosfæren, oppfører hullene seg som karbonvasker.
Hvorvidt disse hullene er med på å avkjøle eller varme planeten gjenstår å se. Men ettersom et varmere klima skaper flere hull, ser det ut til at balansen tipper mot en nettooppvarming snarere enn avkjølende effekt på atmosfæren.
Anesio og teamet hans vil jobbe i sommer for å overvåke de kjemiske og fysiske egenskapene til disse hullene i ulidelig detalj for bedre å forstå hvordan de kan påvirke isatferd og jordas skiftende klima.
Når det samler seg nok støv på en isplate, smelter kryokonitthullene sammen og blir til innsjøer, som denne på Grønland. (Joseph Cook) Ideen om at mikroorganismer kan leve på breer og isplater - enn si trives med globalt betydningsfulle skalaer - er fremdeles relativt ny for vitenskapen. Fram til slutten av 1990-tallet vurderte forskere generelt at is ved begge polene var mer eller mindre sterile miljøer.
"Når du ser på en isbre eller en isplate, ser du ikke noe som kan gi deg ledetråder om det er liv der, " sier Jemma Wadham, en kollega for Anesio's ved University of Bristol. Biologer hadde egentlig ikke studert ismiljøer før på slutten av 1990-tallet da det første beviset for mikrobielt liv dukket opp.
Den forrige mangelen på interesse var ikke på grunn av teknologiske grenser, forklarer Wadham. Alt det ville tatt for å finne liv ville vært å samle smeltevann foran en isbre og se etter tegn til aktive mikroorganismer. "Ingen hadde gjort det, " sier Wadham. "Noe høres litt sprøtt ut, men jeg antar at det er slik ting utvikler seg noen ganger."
Siden 90-tallet har det skjedd en bølge av forskning som har undersøkt mikrober som lever på overflaten av eller under isbreer. De siste årene har forskere funnet ut at disse mikroberne langt fra er sovende. Faktisk rapporterte Anesios team i en studie fra 2009 at mikrober i noen kryokonitthull er like biologisk aktive som de som finnes i varmere jordsmonn så langt sør som Middelhavet.
"Det var virkelig overraskende gitt de lave temperaturene og de lave næringsstoffforholdene [i miljøet], " sier Joseph Cook, en kryokonitthullforsker ved University of Sheffield, som ikke var involvert i denne studien.
I løpet av et år kan denne aktiviteten kumulativt suge opp så mye som anslagsvis 63 000 keiserlige tonn karbondioksid, rapporterte Anesios team i 2009-papiret. Det er sammenlignbart med utslippene fra rundt 13 500 biler i et gitt år, sier han.
"[Anesios studie] var virkelig det første forsøket på å kvantifisere mengden karbon som gikk inn og ut av disse systemene, som var et enormt skritt og veldig viktig, " sier Cook.
Alex Anesio og teamet hans sover i telt på isen under feltstudiene. Noe av isen under teltet smelter, men teltet oppfører seg da som en isolator og holder det meste av basen frossent, sier Anesio. (Chris Bellas) Anesios funn var ikke nødvendigvis hva du ville forvente av en kropp med ferskvann. De fleste dammer og innsjøer frigjør generelt mer karbondioksid i atmosfæren gjennom nedbrytning av organisk materiale enn de absorberer gjennom fotosyntesen.
Dette fordi de fleste dammer og innsjøer sitter i skog og får en jevn flyt av dyre- og planterester fra skogene gjennom grunnvannet. Som et resultat inneholder ofte dammer og innsjøer mye nedbrytbart materiale, og nedbrytning skjer ofte mer utbredt enn fotosyntesen gjør, forklarer Anesio.
Kryokonitthull er derimot isolert fra skog - noen ganger titusenvis av hundrevis av miles - og får mesteparten av sitt organiske materiale gjennom flekker av luftbårent rusk. Det er ikke så mye materiale å bryte ned, så fotosyntetiserende organismer har en tendens til å dominere, sier Anesio.
Det krever ikke så mye å snu det scenariet. Hvis sedimentet i hullene blir for tykt, kan ikke sollys nå bunnen. Dette begrenser fotosyntesen og nedbrytningshastigheten begynner å ta over.
"All denne dynamikken er veldig avhengig av isbevegelsen og lettelsen av isen, " sier Anesio. Dette kan endre seg fra dag til dag og sesong til sesong. "Noen ganger har du mye smelting og du fordeler granulatene rundt i tynnere lag, eller noen ganger hoper de seg opp i visse deler av breen."
Anesios team vil prøve å ta opp spørsmålet om hvordan disse hullene endrer seg over tid ved å sove ved siden av dem og overvåke aktiviteten deres dag inn og ut i sommer.
Lydene av stegjern og rusende vann er blant de eneste lydene du vil høre i dette miljøet, sier Anesio. (Chris Bellas) Reis til motsatt ende av verden fra Anesios feltsted, så finner du et annet trekk ved isbreer som kan spille en viktig rolle i jordens klima: massive innsjøer, begravet under opptil 2, 5 mil med antarktisk is.
Disse skjulte innsjøene, noen sammenlignbare i størrelse med Nord-Amerikas store innsjøer, har fanget oppmerksomheten til forskere som Anesio og Wadham de siste årene av flere årsaker. For det første inneholder disse innsjøene vann som har blitt fanget i millioner av år, og har ekstrem liv som aldri har blitt utsatt for menneskelig påvirkning.
Innsjøene kan også lagre store volumer av den potente klimagassmetan, frosset i en form som kalles metanhydrater. Hvis isarkene i Antarktis kollapser, ville de eksponere disse hydratene og oversvømme dem med sjøvann mens havet skyllet over deler av kontinentet. De destabiliserte hydratene ville bli til metangassbobler og varme atmosfæren, rapporterte Wadham og kollegene i en studie publisert i Nature i 2012.
Ved å bruke luftbåren radar- og satellittavbildning har forskere lokalisert mer enn 400 av disse såkalte subglacial innsjøene under Antarktis-isen de siste 50 årene. Men det var ikke før i 2013 at et ambisiøst, internasjonalt team av forskere med hell boret et borehull gjennom nesten en halv mil is til overflaten av en av disse innsjøene for første gang.
De boret med hell igjen i 2015 på et nærliggende sted, og nådde jordingssonen til en isplate for første gang noensinne. Jordingssonen er et område der en isplate mister kontakten med land og flyter i sjøen.
Sediment- og vannprøver forskere samlet inn fra grunnstøtingssonen vil gi teamet ny innsikt i stabiliteten til det vestlige antarktiske isarket og potensialet for å øke den globale havnivået hvis den kollapser. Teamet vil også måle den mikrobielle aktiviteten i disse sedimentene for å bedre forstå rollen til disse nedgravde mikrobene i den globale karbonsyklusen.
Slawek Tulaczyk, forsker ved University of California, Santa Cruz, som var en av de ledende forskerne i disse milepælprestasjonene, beskriver spenningen med å vente på at utstyret deres skulle ankomme borestedet deres i 2013, etter mer enn fem års planlegging med omtrent 50 internasjonale samarbeidspartnere.
Forskerne sørget for at utstyret deres - som veide rundt 300 000 pund - skulle reise innen 12 fraktcontainere over 800 mil isark for å nå det subglacial Lake Whillans i sørvest Antarktis. Grunnere enn andre subglacial innsjøer ga Whillans forskerne en anstendig sjanse for suksess på grunn av den relative tilgjengeligheten sammenlignet med andre innsjøer begravet under mil med is.
Det tok lastebilsjåfører to uker å hente utstyret - noe av det ekstremt delikat - til boreplassen. Alt forskerne kunne gjøre var å vente tilbake på McMurdo Research Station og lytte mens lastebiloperatørene ringte inn med rapportene sine.
"Vi hørte noen skrekkhistorier, " sier Tulaczyk, og forklarer at sjåførene ringte inn for å rapportere ødelagte gjenstander og ba om ekstra sveiseartikler. Heldigvis ble mesteparten av skadene isolert på transportcontainerne og ikke innholdet.
"Da vi fløy inn, overlevde det som var inne i containerne godt nok til at vi kunne bruke det, men beholderne i seg selv var ganske banket opp og så ut som om de gikk gjennom mye, " sier Tulaczyk.
Tulaczyk og kollegene rigget opp noe som heter en varmtvannsøvelse for å få tilgang til Lake Whillans. I løpet av et døgn kjedet forskerne seg et hull omtrent en fot i diameter ved å pumpe varmt vann kraftig nedover og sirkulere det slik at hullet ikke fryset inn i seg selv når det ble dypere.
Når de nå fram til overflaten av innsjøen, sendte forskerne sonder ned i hullet for å samle inn data og prøver. Men de måtte gjøre det nøye og rent. Hvis de forurenset noe av utstyret deres, risikerte de å samle moderne mikrober som ville forvirre funnene deres og ha en ellers uberørt leveområde.
Til sin spenning og lettelse fant teamet bevis på at mikrober bodde i vannet, sier Tulaczyk. Det hadde vært øyeblikk underveis at teamet bekymret seg for at de hadde slog gjennom mange års planlegging og brukt millioner av dollar i et forsøk på å nå et livløst tomrom.
Resultatene deres er med på å støtte ideen om at store volum mikrobielt avledede metanhydrater kan sitte under den antarktiske isisen. Mikrober kan produsere denne metan ved å nedbryte gamle skoger og annet organisk materiale under isen, foreslo Wadham, Anesio, Tulaczyk og kolleger i sin naturrapport fra 2012.
Forskere som studerer kryokonitthull må noen ganger ha på seg rene drakter for å forhindre forurensning av mikrobielle prøver. (Alex Anesio) Ved å bruke estimater basert på målinger fra sedimenter samlet under den grønlandske isplaten - en sammenlignbar, men mye tynnere analog til Antarktisisen - beregnet teamet at det kunne være så mye som 3, 9 millioner keiserlige tonn metan gjemt under Antarktisisen.
Gitt styrken av metan som klimagass, kan dette være et problem for jordens atmosfære hvis en stor del av isplaten skulle smelte bort. Og ifølge anslag fra forskere ved University of Massachusetts, Amherst og Pennsylvania State University, kan dette skje innen slutten av århundret.
Martin Siegert, en glaciolog ved Imperial College London, var en del av teamet som beskrev en subglacial innsjø for første gang i 1996. Han sier at estimater av hvor mye metan som sitter under den antarktiske isen teoretisk er plausible.
Imidlertid må forskerne måle den mikrobielle aktiviteten i våte sedimenter under isplatene for å styrke hypotesen, sier Siegert. "Det er ganske enkelt, hvilken type vitenskap du trenger å gjøre, vanskelighetsgraden med å komme der nede og varmtvannsboring."
Selv om estimatene for at isarket kollapset ved slutten av århundret var riktige, vil det imidlertid sannsynligvis ta mye lengre tid enn virkningen av metanhydrater å bli påviselig i atmosfæren, sier Alexey Portnov, forsker ved Arktis Universitetet i Tromsø i Norge. Portnov studerer restene av metanhydrater utsatt på slutten av den siste istiden i Arktis, samt metanhydrater som for tiden tiner ut av arktisk permafrost i dag. Han sier at selv om metanhydrater hvilte under det antarktiske isarket, og de ble destabiliserte og begynte å boble metan opp gjennom sjøvannet til overflaten, ville det ta hundrevis av år før disse metanreservene hadde en påviselig innvirkning på det globale klimaet.
"Iskapper kollapser raskere og raskere de siste årene, " sier Portnov. "Men likevel, for å få mengden metan fra disse gasshydratene for på en eller annen måte å endre klimaet, vil det ta ganske lang tid."
I mellomtiden slipper metanhydrater som tiner fra permafrost og langs grunne havbunnrygger allerede denne klimagassen ut i atmosfæren til betydelige priser, sier Portnov. Isark er bare en av mange frosne metanlagre som tiner ut.
Det neste trinnet for det subglaciale metanhydratarbeidet vil være å sikre mer finansiering for å sette i gang med en annen boreekspedisjon til en dypere innsjø. Tidligere innsats - for eksempel multimillion-dollar-innsatsen for å bore inn i Lake Ellsworth i 2012 - har mislyktes. Så før du prøver å få tilgang til dypere innsjøer med eksisterende utstyr, må forskere og ingeniører samarbeide om å utvikle nye teknikker for dypere prosjekter.
"Vi må bare komme dit og hente prøvene, " sier Wadham. "Det er en av utfordringene de neste to tiårene."
Store utvidelser av kryokonitt - eller isstøv - dekker Grønlands isplate og andre isbreer rundt om i verden, og mørkgjør overflatene og får dem til å absorbere varme fra solen. (Joseph Cook) Mens isbreer og isplater fysisk kan plugge store lagre med nedgravde metanhydrater eller trekke karbondioksid ut av atmosfæren gjennom millioner av små hull, når virkningene deres mye lenger enn deres fysiske fotavtrykk.
Når for eksempel kryokonitthull smelter dypt nok til å drenere ut bunnen av en isbre, kan innholdet til slutt nå havet og skylle næringsstoffer inn i det marine økosystemet. Dette kan forårsake storskala algeoppblomstringer som kan trekke karbondioksid ut av atmosfæren i proporsjoner som er betydelig større enn hva mikrober i hullene kan trekke ned, sier Anesio.
"Det vil ha mye sterkere global påvirkning fordi karbonfiksering i havet har en enorm innvirkning på den globale karbonsyklusen, " sier han.
Selv om et komplett bilde av hvordan isbre-mikrober påvirker jordas klima er mange år unna, skyver Anesio og hans medpolforskere videre. Å håndtere teknologiske problemer og tøffe miljøer betyr ofte at gjennombruddene deres passer og starter. Men det er utfordringene, både intellektuelle og fysiske, som trekker forskerne til disse frosne landskapene.
"Det er bare så vakkert å være der, det er fantastisk, " sier Anesio. “Dimensjonene og omfanget av ting er så store, elvene og vannet og formen på isen. Jeg gleder meg veldig til å dra dit. ”
Cook, ved University of Sheffield, er enig. Han finner felt med kryokonitthull så langt øyet kan se å være et ganske slående bilde.
"Å se inn i kryokonitthullene er merkelig vakkert, " sier Cook. “Det er veldig rolig, og det er utrolig å se noe som er så enkelt i ansiktet at det slags mister den utrolige kompleksiteten i det som foregår. Det er liksom hypnotisk. ”
Borehullet ved Lake Whillans, som krevde koordinering mellom rundt 50 samarbeidspartnere fra hele verden. (JT Thomas)
