Mäter issmältningen på Grönland med Xylems SonTek-teknik

Ett team fältforskare har studerat inlandsisen på Grönland för att hitta svaret på några viktiga frågor: Hur snabbt rinner smältvattnet ut i oceanen? Hur påskyndar eller hejdar smältvattnet själva glaciärens rörelse?

Med hjälp av Xylems SonTek-teknik har forskarna studerat hur flödet i supraglaciala floder – de strömmar av smältvatten som rinner ovanpå inlandsisen – förändras under ett dygn. Deras fältdata kommer att bidra till förbättrad noggrannhet i de matematiska modeller som används för att förutsäga glaciärsmältningen.

Studerar hur Grönlands inlandsis smälter

Grönlands inlandsis sträcker sig över en 2 400 km lång yta och består av 2,8 miljoner kubikkilometer is. Glaciärerna, som bildar inlandsisen på Grönland, är tydligt indelade i zoner på grund av höjdskillnaderna.

Tidigare har smältvattenforskning i huvudsak utförts på floder vid inlandsisens kanter. Men 2012 utförde en expedition under ledning av Laurence C. Smith från UCLA och professorn Åsa Rennermalm från Rutgers University unika direkta utflödesmätningar i floder som rinner ovanpå glaciärerna. Den här zonen av inlandsisen, där avrinningen är hög, lämpar sig perfekt för att studera hur isen smälter i takt med att klimatet förändras.

2012 genomförde teamet ett revolutionerande fältarbete och bevisade att de senaste verktygen och teknikerna från den tempererade delen av världen kunde användas även i Arktis.

Tre dagars övervakning av glacial flod

2015 återvände Smith, Rennermalm och deras team till sydvästra Grönland för att studera smältvattenavrinningen under tre hela dagars oavbruten övervakning. Om det som expeditionen 2012 gav var ögonblicksbilder av hur smältvattnet rör sig, så levererade forskningen 2015 – och uppföljningsstudien 2016 då samma ström mättes en gång i timmen sju dagar i sträck – en film.

– 2012 var supraglaciala vattenföringsdata fortfarande ett ganska outforskat område, framförallt de stora strömmarna i Grönlandsinlandsisens inre. Så vår strategi var helt enkelt att samla in data från så många floder som möjligt. Men om man bara samlar in data om detta utflöde vid en enda tidpunkt får man inte någon helhetsbild. 2015 reste vi därför tillbaka för att fokusera på en flod och se hur utflödet förändrades under ett dygn, förklarar Brandon Overstreet, forskarstudent från University of Wyoming som deltog i expeditionen.

Foto: Brandon Overstreet med SonTek RiverSurveyor M9 monterad på en HydroBoard II (foto av Lincoln Pitcher).

Skillnader mellan fältdata och modellförutsägelser

Smith/Rennermalm-teamet valde en supraglacial flod de ville studera, som de namngav Rio Behar efter en kollega. I 72 timmar mätte de vattenföringen utan avbrott och utförde detaljerade väderavläsningar. De sammanställde en realtidsdatabas över vattenrörelserna och vattenförhållandena på plats. Därefter jämförde modelleringsteam, som körde modeller med meteorologiska data från platsen, deras fältdata med resultaten från sina modeller.

Teamet upptäckte att ytmassbalansmodellerna överskattade avrinningen med 21 till 58 procent. Teamet noterade även en fördröjningstid på 0,4 till 9,5 timmar mellan perioder av hög smältning och ökningar i flodens utflöde som inte återspeglades i modellförutsägelserna.

Räknar ut hur stora variationer i flödet ska mätas

En av de mest anmärkningsvärda aspekterna i smältvattenflödets dygnscykel var hur stora variationerna faktiskt var. Flödet i Rio Behar kunde variera mellan 4,61 och 26,73 kubikmeter per sekund beroende på tidpunkten på dygnet. Flodfårans bredd och djup varierade kraftigt efter förändringarna i utflödet.

Detta var en stor utmaning för forskarna. De hade bevisat att akustisk Doppler-profilering fungerar även i de supraglaciala flodernas så gott som kristallklara vatten genom att signaler studsade tillbaka från små bubblor och iskristaller i vattnet.

Men frekvenserna som fungerar bäst i grunda långsamma vatten är inte nödvändigtvis de effektivaste i djupare snabbare vattenströmmar, enligt Brittany Jenner, applikationsingenjör för Xylem-varumärket SonTek.

SonTek RiverSurveyor-M9 används för högkvalitativa mätningar

I djupt vatten är en lågfrekvent akustisk signal med längre våglängd effektiv för att ge en tydlig mätning av banken och bottnen och av flödets hastighet och riktning, vilka samtliga används för att beräkna volymen. En akustisk signal med högre frekvens och kortare våglängd levererar däremot en tydligare profil av hastigheten och flödet i grunt vatten.

Grönlandsteamet använder en SonTek RiverSurveyor-M9, som automatiskt använder registrerade djup- och hastighetsdata för att fastställa om 1,0 MHz eller 3,0 MHz signaler ska användas för att få mätningarna av så hög kvalitet som möjligt, förklarar Jenner. Med RiverSurveyors SmartPulse HD-teknik väljs också storleken på provcellerna för att optimera mätningarna under de aktuella förhållandena.

Under undersökningen monterades RiverSurveyor-M9 på en SonTek HydroBoard II, som dras från bank till bank för att samla in data längs en transekt. Grönlandsteamet samlade in data från minst fyra transekter i timmen.

Förbättrar vetenskapen om glaciärsmältning

I slutet av 2017 publicerade teamet sina Rio Behar-data från 2015 med förutsägelserna som genererats av fem ledande issmältningsmodeller. Författarna till rapporten, som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences, bestod av en stor och skiftande grupp forskare. Det var inte bara geologer och hydrologer som Smith, Rennermalm och de härdade forskarstudenterna som utförde mätningarna utan även Jenner och en grupp andra ledande aktörer inom klimatforskning och klimatmodellering.

För Brandon Overstreet har de många resorna till inlandsisen på Grönland gett en insikt om betydelsen av och tjusningen med fältarbete. Det är forskning på en detaljnivå som inte är möjlig att uppnå med hjälp av bara satellitbilder eller förbiflygningar.

– Mitt första intryck av inlandsisen på Grönland var ett stort enformigt landskap som bara var spännande i kanterna där glaciärerna kalvade isberg. Men där ovanpå isen finns detta fantastiska dynamiska system av floder, som beter sig ungefär som landsfloder, fast som om de gick på överväxeln, säger han.

– Jag vill inte leva i en värld där man samlar in all information man behöver bara genom att titta på en satellitbild, tillägger han.

Läs hela reportaget och mer på Mission: Water