Under den antarktiska isisen ligger en kontinent som är täckt av floder och sjöar, varav den största är storleken på sjön Erie. Under ett vanligt år smälter och fryser isarken, vilket får sjöarna och floderna att regelbundet fylla och dränera snabbt från smältvattnet. Den här processen gör det lättare för Antarktis frusna yta att glida runt och att stiga och falla på vissa platser med så mycket som 6 meter (20 fot).
Enligt en ny studie ledd av forskare från NASA: s Jet Propulsion Laboratory kan det finnas en mantelplomme under det område som kallas Marie Byrd Land. Närvaron av denna geotermiska värmekälla kan förklara en del av smältningen som äger rum under arket och varför den är instabil idag. Det kan också hjälpa till att förklara hur arket snabbt kollapsade under tidigare perioder med klimatförändringar.
Studien, med titeln "Påverkan av en västantarktisk mantelplomma på islagsbasförhållanden", dykte nyligen upp i Journal of Geophysical Research: Solid Earth. Forskningsteamet leddes av Helene Seroussi från Jet Propulsion Laboratory, med stöd från forskare från Institutionen för jord- och planetiska vetenskaper vid Washington University och Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research i Tyskland.
Rörelsen av Antarktisens isark över tid har alltid varit en källa av intresse för jordforskare. Genom att mäta hastigheten med vilken isarken stiger och faller kan forskare uppskatta var och hur mycket vatten som smälter vid basen. Det är på grund av dessa mätningar som forskarna först började spekulera om närvaron av värmekällor under Antarktis frysta yta.
Förslaget om att det finns en mantelplym under Marie Byrd Land gjordes först för 30 år sedan av Wesley E. LeMasurier, en forskare från University of Colorado Denver. Enligt den forskning han utförde utgjorde detta en möjlig förklaring till regional vulkanisk aktivitet och en topografisk kuppelfunktion. Men det var först mer nyligen som undersökningar av seismisk avbildning gav stöd för bevis på denna mantelrör.
Direkta mätningar av regionen under Marie Byrd Land är för närvarande inte möjliga. Därför förlitade Seroussi och Erik Ivins från JPL sig på Ice Sheet System Model (ISSM) för att bekräfta existens av plymen. Den här modellen är i huvudsak en numerisk skildring av isens fysik, som har utvecklats av forskare vid JPL och University of California, Irvine.
För att säkerställa att modellen var realistisk drog Seroussi och hennes team observationer av förändringar i ishöjdens höjd under många år. Dessa leddes av NASA: s Ice, Clouds och Land Elevation Satellite (ICESat) och deras luftburna Operation IceBridge-kampanj. Dessa uppdrag har mätat den antarktiska isisen i flera år, vilket har lett till skapandet av mycket exakta tredimensionella höjdkartor.
Seroussi förstärkte också ISSM med naturliga uppvärmningskällor och värmetransport som resulterar i frysning, smältning, flytande vatten, friktion och andra processer. Denna kombinerade data placerade kraftfulla begränsningar för de tillåtna smälthastigheterna i Antarktis och gjorde det möjligt för teamet att köra dussintals simuleringar och testa ett brett spektrum av möjliga platser för mantelplommen.
Vad de fann var att värmeflödet orsakat av mantelröret inte skulle överstiga mer än 150 milliwatt per kvadratmeter. Som jämförelse upplever regioner där det inte finns någon vulkanisk aktivitet vanligtvis ett prestationsflöde mellan 40 och 60 milliwatt, medan geotermiska hotspots - som den under Yellowstone National Park - upplever i genomsnitt cirka 200 milliwatt per kvadratmeter.
Där de utförde simuleringar som översteg 150 millwatt per kvadratmeter var smälthastigheten för hög jämfört med rymdbaserad data. Förutom på en plats, som var ett område inuti Rosshavet, som är känt för att uppleva intensiva vattenflöden. Denna region krävde ett värmeflöde på minst 150 till 180 milliwatt per kvadratmeter för att anpassa sig till dess observerade smälthastigheter.
I denna region har seismisk avbildning också visat att uppvärmning kan komma till isarken genom en klyfta i jordens mantel. Även detta överensstämmer med en mantelplym, som tros vara smala strömmar av het magma som stiger genom jordens mantel och sprider sig ut under jordskorpan. Denna viskösa magma ballonger sedan under jordskorpan och får den att bula uppåt.
Där is ligger över toppen av plommon överför denna process värme till isarket, vilket utlöser betydande smältning och avrinning. I slutändan tillhandahåller Seroussi och hennes kollegor övertygande bevis - baserat på en kombination av yt- och seismisk data - för en ytflöde under isarken på Västantarktis. De uppskattar också att denna mantelplomme bildades för ungefär 50 till 110 miljoner år sedan, långt innan den västantarktiska isarken kom till.
För ungefär 11 000 år sedan, när den sista istiden slutade, upplevde isarken en period med snabb, långvarig isförlust. När globala vädermönster och stigande havsnivåer började förändras, pressades varmt vatten närmare isen. Seroussi och Irvins-studien tyder på att mantelplommen skulle kunna underlätta denna typ av snabba förluster idag, precis som den gjorde under den sista början av en mellan glaciär period.
Att förstå källorna till isförlust under Västantarktis är viktigt när det gäller att uppskatta hastigheten där is kan försvinna där, vilket i huvudsak är att förutsäga effekterna av klimatförändringar. Med tanke på att Jorden återigen genomgår globala temperaturförändringar - den här gången på grund av mänsklig aktivitet - är det viktigt att skapa exakta klimatmodeller som låter oss veta hur snabbt polär is smälter och havsnivån kommer att stiga.
Det informerar också vår förståelse för hur vår planet historia och klimatförändringar är kopplade och vilken effekt dessa hade på dess geologiska utveckling.
