بناء إلكترونيات يمكنها البقاء تحت الغطاء الجليدي في جرينلاند

من خلال برنامج القمر الصناعي GRACE ، أظهر الباحثون أن الغطاء الجليدي في جرينلاند بدأ يفقد 280 مليار طن من الجليد كل عام – ما يعادل 1.5 تقريبًا مليون حمام سباحة أولمبي. بالنسبة للأنهار الجليدية مثل تلك الموجودة في جرينلاند وأنتاركتيكا ، ينتهي معظم هذا الماء الذائب في المحيط – مع عواقب ملحوظة بالفعل لارتفاع مستويات سطح البحر.

ستتطلب منا التنبؤات الأفضل لارتفاع مستوى سطح البحر في المستقبل أن نفهم ما تفعله المياه الذائبة داخل الأنهار الجليدية – وخاصة تحتها. ولكن للقيام بذلك ، يحتاج الباحثون إلى أخذ القياسات عبر نهر جليدي. في وقت سابق من هذا الشهر ، مهندس كهربائي وعالم الجليد الدكتور مايكل بريور جونز ومعاونيه في المملكة المتحدة وسويسرا والدنمارك وكندا نشرت نسختهم المعاد تصميمها من المسبار اللاسلكي تحت الجليدي—و Cryoegg– للمساعدة في دراسة “السباكة” الداخلية للأنهار الجليدية.

العوائق الجليدية

ال تدفق المياه الذائبة يمكن أن ينتهي الأمر عبر الأنهار الجليدية وتحتها في جيوب صغيرة أو بحيرات كبيرة أو أنهار سريعة الحركة – كل منها يزعزع استقرار النهر الجليدي الذي يعلوها بدرجات مختلفة. يمكن أن تتسبب البحيرات تحت الجليدية في تحول أجزاء كاملة من النهر الجليدي. على النقيض من ذلك ، تقوم الأنهار تحت الجليدية بتوجيه المياه الذائبة إلى منطقة أصغر ، مما يتسبب في حركة جليدية أقل نسبيًا.

استخدم الباحثون إشارات الراديو وصور الأقمار الصناعية لتعيين حجم الشبكات الهيدرولوجية وبحيرات تحت الأنهار الجليدية. ولكن لا يُعرف الكثير عن السرعة التي تتحرك بها هذه المياه أو المدة التي تقضيها في التعرج في طريقها إلى المحيط. الطريقة الوحيدة للإجابة على هذه الأسئلة هي أخذ القياسات تحت الجبل الجليدي.

تعتبر الأنهار الجليدية ، وخاصة الصدوع الجليدية وفتحات التصريف ، المسماة moulins ، شديدة الخطورة للاستكشاف شخصيًا. يصب الماء الذائب من خلال المولين بمعدل يصل إلى 4 أطنان مترية في الثانية ، ويتحول الجليد بشكل متكرر. جرب علماء الجليديات تركيبات تجريبية على قمم الأنهار الجليدية ، بالإضافة إلى مجسات متدلية من خلال الآبار في الغطاء الجليدي. لكن هذه عادة ما تستمر بضعة أسابيع فقط قبل أن تتحرك الأنهار الجليدية بما يكفي لالتقاط الكابلات أو تشابكها بشكل ميؤوس منه وجعل الإعداد غير قابل للاستخدام.

كان الحل هو تصميم مجسات لاسلكية يتم إطلاقها في الشبكة تحت الجليدية. ومع ذلك ، سرعان ما أصبح واضحًا أن الباحثين لا يمكنهم الاعتماد على استرجاع هذه القياسات عند خروج المجسات من النهر الجليدي – فهم دائمًا ما يعلقون. سلسلة من التجارب ، بما في ذلك واحدة تنطوي على أسطول من بط مطاط التي أصدرتها وكالة ناسا ، أن الأشياء التي تدخل في الأنهار الجليدية نادرًا ما تُرى مرة أخرى.

لقد ألهم هذا عددًا قليلاً من الأجهزة التي تنقل القياسات في الوقت الفعلي عبر الجليد بينما ينتقل المسبار تحت النهر الجليدي. أحدثها – Cryoegg – قيد العمل منذ ما يقرب من 10 سنوات ، وقد صممه بريور جونز والفريق صراحة للقياسات من خلال الجليد العميق.

أعماق الجليدية

التصميم عبارة عن مسبار مقاوم للماء ومقاوم للضغط بحجم الجريب فروت قادر الآن على إرسال قياسات عبر 1.3 كيلومتر من الجليد. يتم تشغيله بواسطة بطارية تسمح لها بإرسال قياسات كل ساعتين لمدة تصل إلى عام. تشتمل المكونات على تقنية الارتباط اللاسلكي التي تم إعادة توظيفها من عدادات المياه والغاز في فرنسا وحالة آلية مقاومة للضغط.

تم تجهيز Cryoegg للإجابة على ثلاثة أسئلة: ما درجة الحرارة؟ ما مقدار الضغط هناك؟ وكم من الوقت كانت المياه المحيطة تتدفق عبر وتحت النهر الجليدي؟

يمكن تقريب عمر الماء من خلال الموصلية الكهربائية. المياه الذائبة العذبة نقية تقريبًا ، ولكنها تتدفق عبر النهر الجليدي – وخاصة عندما تتلامس مع الصخور والرواسب – فهي تلتقط المعادن والمواد الصلبة الذائبة. هذه المواد بدورها تغير التوصيل الكهربائي للماء.

توفر هذه القياسات مجتمعة أدلة حول مدى سرعة استنزاف النهر الجليدي. على سبيل المثال ، تشير الضغوط المنخفضة إلى سهولة خروج الماء ، بينما تشير الضغوط المرتفعة إلى أن الماء محاصر. أيضًا ، كلما زادت الموصلية ، زاد احتمال بقاء الماء تحت النهر الجليدي.

قال الدكتور ليز باجشو ، متعاون بريور جونز: “يوجد حاليًا عدد قليل جدًا من القياسات من تحت الجليد بحيث لا يمتلك المصممون سوى القليل جدًا من البيانات حول تأثيرات التغييرات في بنية نظام الصرف”. “نحن جزء من جهد أكبر بكثير للأشخاص الذين يقيسون كل هذه العمليات المختلفة ليتم إدخالها في نماذج الغطاء الجليدي الأوسع.”

الانتظار في الطابور

لم يتم إصدار Cryoegg بعد لتجربة كاملة ، لكن الباحثين اختبروه (مرتبط بحبل) تحت الأنهار الجليدية في جرينلاند وجبال الألب السويسرية. نظرًا لاجتياز الجهاز جميع اختباراته حتى الآن ، يخطط الفريق لإطلاق أول Cryoegg في تيار شمال شرق جرينلاند الجليدي (NEGIS) ، وهو أحد أسرع الأنهار الجليدية المعروفة حركة. إنهم يأملون أن القياسات من Cryoegg قد تمنحهم مزيدًا من الأفكار حول سبب تحرك هذه الأنهار الجليدية بهذه السرعة.

كما أنهم بصدد المزيد من مقاومة الضغط لـ Cryoegg وتوسيع نطاق الإشارة حتى 2.5 كيلومتر من الجليد – متوسط ​​عمق الغطاء الجليدي في وسط جرينلاند. أيضا في الأعمال: توسيع النطاق بين Cryoegg وجهاز استقبال الراديو ، ليس فقط من حيث العمق ولكن أيضًا من حيث المسافة السطحية.

أحد أكبر القيود في هذه المرحلة هو الوصول إلى الآبار ، والتي يتم تمويلها وتنفيذها عادة من خلال التعاون الدولي. على الرغم من أنه سيكون من المثالي نشر Cryoeggs في نهاية المطاف على نطاق واسع حول العالم ، إلا أن هناك طابورًا طويلًا من الباحثين الآخرين الذين ينتظرون استخدام الآبار المتاحة لدراساتهم الخاصة. في غضون ذلك ، سيكون الاختبار الأول هو معرفة البيانات التي يتم إرسالها مرة أخرى من الرحلة الأولى لـ Cryoegg.

قال بريور جونز: “يعتبر علم الجليد في بعض النواحي مكافئًا لمسبار الفضاء لأننا نرسل هذه المركبة الصغيرة إلى بيئة غير مؤكدة ونأمل أن نستعيد البيانات منها قبل أن تضيع”.

مجلة علم الجليد، 2021. DOI: 10.1017 / jog.2021.16 (حول DOIs).

كيد كوان صحفي مستقل يغطي قصص المناخ والبيئة في Ars Technica. هي حاصلة على دكتوراه. في الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية.