Weisen Shen von der SBU erhält über 625.000 US-Dollar für die Untersuchung von Land unter dem Südpol-Eis

Von Daniel Dunaief

Während es einfach ist, Materialien in Tälern oder auf kahlen Berggipfeln zu sehen und zu studieren, ist es viel schwieriger zu wissen, was sich unter 2,7 Kilometern Eis befindet. Es stellt sich heraus, dass diese Art von Frage viel mehr als nur akademisch oder hypothetisch ist.

Am Südpol liegen Gletscher auf Land, das nie das Licht der Welt erblickt, aber für die Zukunft von Städten wie Manhattan und Boston von Bedeutung ist.

Das feste Land unter Gletschern hat einen starken Einfluss auf die Bewegung des Eisschildes, was sich auf die Schmelzrate des Eises und die Änderung des Meeresspiegels auswirken kann.

Weisen Shen, Assistenzprofessor in der Abteilung für Geowissenschaften an der Stony Brook University, erhielt kürzlich von der National Science Foundation über einen Zeitraum von fünf Jahren über 625.000 US-Dollar, um das unerforschte Land unter dem ostantarktischen Eisschild am Südpol zu untersuchen.

Das subglaziale Wasser und die Hydrosysteme beeinflussen zusammen mit der Geologie wie Sedimenten oder Hartgesteinen die Dynamik und tragen zur Bewegungsgeschwindigkeit des Eisschildes bei.

Sobald Shen ein besseres Verständnis des Materials unter dem Eis, einschließlich des Gletscherwassers, liefert, kann er dies mit anderen Forschern weiterverfolgen, um die Auswirkungen der Eisschilddynamik zu interpretieren.

„Wir können den Beitrag des antarktischen Eisschildes zur Änderung des Meeresspiegels besser vorhersagen“, was Modellierern eine Möglichkeit bieten wird, die wahrscheinlichen Auswirkungen der globalen Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten abzuschätzen, sagte er.

Verwendung seismischer Daten

Ab November dieses Jahres werden Shen und die Doktoranden Siyuan Sui, Thomas Reilly und Hanxiao Wu zwei Monate lang mit seismischen Monitoren zum Südpol aufbrechen.

Durch die Platzierung von 183 seismischen Knotenpunkten und die Installation zusätzlicher acht breitbandiger seismischer Stationen werden Shen und sein Team die seismischen Eigenschaften quantifizieren und daraus schließlich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung, Dichte und Temperaturstruktur der Kruste und des obersten Mantels ziehen.

Die Temperatur beim Aufstellen dieser Monitore beträgt 10 bis 30 Grad unter 0 Grad Fahrenheit. Sie müssen etwas graben, um diese Sensoren nahe der Oberfläche einzusetzen.

Während angenommen wird, dass der Südpol geologisch stabil ist, deuten Anzeichen einer subglazialen Schmelze darauf hin, dass die Kruste eine höhere Konzentration hochradioaktiver Elemente wie Uran, Thorium und Kalium enthalten könnte.

Diese natürlichen Elemente „erzeugen ständig Wärme“, sagte Shen.

Der Prozess und die Analyse seismischer Wellen funktioniert auf die gleiche Weise wie bei der Untersuchung eines Prismas. Die Betrachtung der Lichtbrechung, die aus verschiedenen Winkeln in das Prisma eintritt und es verlässt, kann Forschern helfen, Licht mit unterschiedlichen Frequenzen zu unterscheiden und Hinweise auf die Struktur und Zusammensetzung des Prismas zu geben.

Erdmaterialien werden inzwischen auch eine Differenzierung der Geschwindigkeit von Oberflächenwellen entsprechend ihrer Frequenz bewirken. Die Differenzierung der Geschwindigkeiten wird „Dispersion“ genannt, die Shen und sein Team nutzen werden, um die seismischen Eigenschaften zu quantifizieren. Das Gebiet verfügt über genügend natürliche Wellen, so dass Shen keine künstlichen Energiewellen erzeugen muss.

„Wir überwachen sorgfältig, wie schnell sich [die seismische Energie] ausbreitet“, um Temperatur, Dichte und Gesteinsart zu bestimmen, sagte Shen.

Das Wasser unter dem Gletscher kann wie eine Rutsche wirken und so die Bewegung des Gletschers erleichtern.

Einige große Seen in der Antarktis, wie der Wostoksee, wurden kartiert. Die Tiefe und Konturen von Sub-Gletscherseen in der Nähe des Südpols sind jedoch noch unklar.

„Wir müssen viele verschiedene Methoden anwenden, um das zu untersuchen“, sagte Shen.

Der Stony Brook-Forscher wird mit Kollegen zusammenarbeiten, um seine seismischen Ergebnisse mit anderen Arten von Daten wie Radar zu kombinieren, um die Strukturen unter dem Eis zu untersuchen.

Die Arbeit umfasst drei Jahre der Sammlung von Felddaten und zwei Jahre der Analyse.

Bildungskomponente

Zusätzlich zum Sammeln und Analysieren von Daten hat Shen der Studie eine wichtige pädagogische Komponente hinzugefügt. Zum ersten Mal bringt er die Naturwissenschaftslehrerin der Brentwood High School, Dr. Rebecca Grella, mit. Grella ist Doktorandin des Programms für Ökologie und Evolutionsbiologie der Stony Brook University und wird Vorlesungen und Unterricht aus der Ferne vor Ort halten.

Shen stellt nicht nur einen High-School-Lehrer zur Verfügung, sondern wird auch Doktoranden in Stony Brook finanzieren, die Brentwood-Studenten dabei helfen können, sich auf die Regentenprüfung für Geowissenschaften vorzubereiten.

Shen arbeitet mit Kamazima Lwiza, außerordentlicher Professorin an der School of Marine and Atmospheric Sciences in Stony Brook, zusammen, um Geowissenschaften, einschließlich Polarwissenschaften, mit einem mit mobilen Laboren ausgestatteten Bus in Schulen in New York City und auf Long Island zu bringen.

Lwiza, der Hauptforscher des EarthBUS-Projekts, wird gemeinsam mit Shen ein Kursmodul erstellen, das einen 45-minütigen Vortrag und eine Ausstellung umfasst.

Shen glaubt, dass das Projekt ihm dabei helfen wird, sich auf eine bessere Ausbildung der Schüler an Graduiertenschulen, Colleges und K-12-Studenten in der Gemeinde vorzubereiten.

Er verspürt ein starkes Bedürfnis, insbesondere K-12-Schülern in den Geowissenschaften zu helfen.

Was Studierende außerhalb von Brentwood anbelangt, sagte Shen, dass er eine Politik der offenen Tür verfolgt, bei der das Labor für Oberstufen- und Bachelor-Studenten empfänglich ist, die das ganze Jahr über an seiner Forschung teilnehmen möchten.

Sobald er die ersten Daten der bevorstehenden Reise zum Südpol gesammelt hat, wird er umfangreiche Datenverarbeitung, -analyse und -interpretation durchführen müssen.

Während Shen sich auf die bevorstehende Feldsaison freut, weiß er, dass er die Zeit in seinem Haus in Stony Brook mit seiner Frau Jiayi Xie, seinem viereinhalbjährigen Sohn Luke und seinem 1,5-jährigen Sohn Kai verpassen wird.

„Es ist eine große Belastung für meine Frau“, sagte Shen, dessen Frau Vollzeit arbeitet. Wenn er zurückkommt, „hofft er, es wieder gut zu machen“.

Shen glaubt jedoch, dass die Arbeit, die er leistet, im Großen und Ganzen wichtig ist, auch für seine Kinder.

Rekordhohe Temperaturen, die in diesem Sommer in den Vereinigten Staaten und anderswo auftreten, werden „definitiv Auswirkungen auf die Dynamik des Eisschildes haben“. Gleichzeitig befindet sich die Eisdecke der Antarktis auf einem Rekordtief.

„Das ist besorgniserregend und macht es dringlicher, unsere Arbeit dort zu beenden“, fügte er hinzu.