Antarktický Krvavý vodopád už není jen vizuální záhada – nová studie prokázala, že jeho červený výron je přímým důsledkem pohybu a tlakového „výdechu“ ledovce Taylor. Pod povrchem se skrývá složitá síť solanek, skal a mikrobiálního života, která se možná podobá skrytým oceánům na jiných planetách.
Vědci spojili náhlý výron rezavě zbarvené vody u Krvavých vodopádů s poklesem ledovce nad ním. Tato souvislost ukazuje, že červený proud není jen povrchovou skvrnou, ale viditelnou známkou tlakových změn a pohybu vody ukryté hluboko v ledu. Za každým načervenalým „proudem“ se skrývá složitý podpovrchový systém, v němž se v časovém měřítku od několika dnů do tisíců let vzájemně ovlivňují led, horniny, soli a dokonce i extrémofilní mikrobi.
Nová práce, založená na senzorech instalovaných na ledovci Taylor, časosběrných kamerách a měřeních na jezeře Bonney, dává dohromady kousky skládačky, která vědce zajímá už více než sto let: odkud přesně se tato „krev“ bere a co nám říká o nitru antarktických ledovců?
Poselství pod ledem
V září 2018 zaznamenal senzor instalovaný na Taylorově ledovci, obrovské řece ledu, která protéká suchými údolími McMurdo v Antarktidě, pokles právě ve chvíli, kdy kamera zachytila aktivaci Krvavých vodopádů.
Peter T. Doran, geolog z Louisiana State University (LSU), spojil pokles s odtokem a přisoudil ho poklesu tlaku. Během několika týdnů jeho tým pozoroval, že povrch klesá a pak opět stoupá, což naznačuje krátký odtokový puls pod ledovcem.
Tento pokles byl v lidském měřítku nepatrný – řádově centimetry – ale z glaciologického hlediska je jasným znamením, že se vnitřní „kostra“ ledovce znovu upravuje. Led není tuhý blok: reaguje na tlak vody proudící jeho podložím a vnitřními trhlinami. Když tento tlak náhle poklesne, led si „sedne“ na skálu.
Pokrytí bylo však omezené a zanechalo v datech určité mezery, takže budoucí monitorování bude muset pokrýt více bodů, aby bylo možné určit, jak často ledovce „dýchají“. Toto „dýchání“ se projevuje jako cykly nakládání a vykládání slané vody, které ovlivňují rychlost ledu i cirkulaci jezera po proudu.
Taylorův ledovec a Krvavé vodopády se nacházejí v McMurdově suchém údolí, jedné z nejsušších a nejchladnějších oblastí na Zemi, kde téměř vůbec nesněží a vítr odnáší i to málo sněhu, které napadne. Toto extrémní prostředí, téměř bez vegetace a povrchové vlhkosti, činí z jakéhokoli náznaku kapalné vody mimořádně cenný indikátor toho, co se děje pod ledem.
Záhada stará více než sto let
Krvavé vodopády nejsou novým objevem. Poprvé je pozoroval v roce 1911 australský geolog Griffith Taylor během antarktické expedice Roberta Falcona Scotta. Tehdy byla červená barva přisuzována přítomnosti řas, což bylo intuitivní, ale mylné vysvětlení.
Nakonec chemická analýza ukázala, že barva pochází z oxidovaného železa, nikoliv z fotosyntetických organismů. Zůstalo však nejasné, odkud slaná voda pochází, jak zůstává tekutá a jaké mechanismy řídí její sporadický výskyt. Studie z roku 2018 a následné práce poprvé přímo spojily epizodu červeného výtoku s naměřenými změnami v ledovci a jezeře.
Napětí pod ledovcem
Tlak se zvyšuje s tím, jak váha ledu uvězňuje slanou vodu pod jeho povrchem, a ledovec nemůže tento tlak udržet donekonečna.
U Krvavých vodopádů pochází kapalina z podledovcových kanálů pod ledovcem, izolovaných od vzduchu, které se mohou při pohybu ledu otevřít.
Tíha a pomalý pohyb ledu tlačí solanku do štěrbin, odkud se v náhlých pulzech vynořuje.
Tyto epizody je obtížné předvídat, protože malé změny v napětí nebo ucpání mohou uvolnění zpozdit o několik měsíců.
Zjednodušeně řečeno, ledovec funguje jako přírodní přehrada. Jak led pomalu postupuje údolím, stlačuje a lisuje solanku zachycenou u základny a ve vnitřních kanálech. Když se otevře trhlina nebo se kanál odblokovává, tlak se uvolňuje a voda vystřeluje na povrch, zbarvená železem.
Toto chování není u Taylorova ledovce ojedinělé. Mnoho ledovců po celém světě částečně „plave“ na tenké vrstvě vody, která působí jako mazivo. Rozdíl zde spočívá v tom, že voda je extrémně slaná, velmi hustá a bohatá na železo, díky čemuž je viditelná a sledovatelná. V jiných ledovcích zůstávají podobné procesy nepovšimnuty, protože voda je průhledná a rychle splývá s okolím.
Sůl jako hnací síla
Sůl mění tekoucí vodu na chemickou směs schopnou odolávat mrazu, i když teplota vzduchu klesá hluboko pod nulu. Tato velmi slaná voda, kterou vědci nazývají solanka, zůstává tekutá i v extrémně chladných podmínkách a právě Krvavé vodopády ji vynášejí na povrch.
V průběhu stovek nebo dokonce tisíců let mohou opakované cykly mrznutí koncentrovat soli a výsledkem je kapalina, která se nadále pomalu pohybuje ledem.
Navíc je velmi pravděpodobné, že tyto soli pocházejí ze skrytých hornin a sedimentů, a jejich chemické složení nabízí vodítko k tomu, co se nachází pod Taylorovým ledovcem.
V tomto případě je solanka tak koncentrovaná, že její bod tuhnutí klesá hluboko pod 0 °C. Něco podobného se děje, když se sůl sype na zledovatělou silnici: led taje, protože směs soli a vody potřebuje k zamrznutí nižší teploty. Na Taylorově ledovci je tento efekt umocněn obrovským množstvím soli nahromaděné za tisíciletí.
Analýza ukazuje, že solanka obsahuje především soli pocházející z dávných mořských usazenin, které byly zachyceny, když bylo údolí před miliony let zaplaveno oceánem. Když moře ustoupilo a vytvořil se ledovec, byla tato mořská voda uzavřena v podzemí. Postupným mrznutím se postupem času vytlačila čistá voda a soli se soustředily do stále hustších kapes, které se dnes pomalu pohybují pod ledem.
Červená krev
Když se kapalina dostane do kontaktu se vzduchem, dochází k tzv. oxidaci: železo reaguje s kyslíkem a během několika minut se zbarví do rezavě červené barvy.
Drobné částečky železa v podzemním solném roztoku zabarvují led, jak proudí po svahu dolů.
Díky této rychlé změně barvy je každý výtok snadno zjistitelný, což vědcům umožňuje sledovat, kdy se skrytý systém pod ledovcem aktivuje.
Tento proces je velmi podobný tomu, co se děje, když železný hřebík rezaví na vzduchu, jen zde se to děje v krajinném měřítku. Solanka obsahuje železo v rozpuštěné formě a v drobných částečkách. Jakmile se dostane na povrch, železo se mění z redukovaného (více „reaktivního“) stavu na oxidovaný a vytváří sytě červené oxidy a hydroxidy železa, které se usazují na bílém ledu.
Kromě železa s sebou solanka nese i další stopové prvky, které pomáhají rekonstruovat geologickou historii údolí: jaké typy hornin byly rozpuštěny, jak dlouho byla voda zadržována a jak se chemismus systému měnil v průběhu tisíců let.
Oáza pro extrémofilní mikroby
Příběh Krvavých vodopádů není jen o fyzice a chemii. V roce 2009 tým vědců zjistil, že solanka je domovem společenství mikrobů, kteří žijí bez slunečního světla, v podmínkách extrémního chladu, vysoké salinity a téměř úplné absence kyslíku.
Tyto mikroorganismy získávají energii spíše z chemických reakcí se železem a sírou než z fotosyntézy. Jsou příkladem extrémofilního života, tj. organismů přizpůsobených prostředí, které by bylo pro většinu známých forem života smrtelné.
Tento objev je důležitý, protože ukazuje, že aktivní ekosystémy mohou existovat pod ledem stovky tisíc let, izolované od atmosféry a světla. Tento typ subglaciálního života slouží jako model pro hledání života na jiných ledových planetách a měsících, jako je Mars nebo Europa (Jupiterův měsíc), kde by mohly existovat solanky pohřbené pod vrstvami ledu.
„Zmrazený“ okamžik pro potomky
Od 19. září 2018 začaly kamery instalované v blízkosti jezera Bonney zaznamenávat nové skvrny, které v průběhu dní přibývaly.
Současně termistor (malé teplotní čidlo) zaznamenal během stejné aktivity ochlazení v hlubinách jezera.
Podle zprávy výzkumníků umožnila nečekaná kombinace tří různých zdrojů dat jasně a vzácně identifikovat událost odvodňování podledovcového solného roztoku.
Přestože pozorování bylo krátkodobé, poskytlo detailní pohled na to, jak rychle dokáže systém reagovat, jakmile je spuštěn.
Klíčová byla časová shoda: pokles ledovce, výskyt červeného toku a lokální ochlazení v jezeře. Dohromady tato data vykreslují jasnou posloupnost: solanka se uvolňuje ze základny ledovce, putuje vnitřními kanály, objevuje se u Blood Falls a část z ní klesá do jezera Bonney a reorganizuje jeho vnitřní vrstvy.
Led se dotkl a potopil
Pokles povrchu ledovce o pouhých 1,5 cm způsobil zpomalení postupu ledu o téměř 10 %. Když odtok vody snižuje tlak na podloží, led působí na skálu větší silou a pohybuje se s většími obtížemi.
„Tato pozorování ukazují, že dlouhodobé vypouštění solanky s epizodickými pulzy přicházejícími zpod Taylorova ledovce po dobu jednoho měsíce snižuje tlak podledovcové vody, což způsobuje pokles povrchu a zpomalení pohybu ledu,“ napsal Peter T. Doran.
Následná měření ukázala, že led zůstává o něco pomalejší než dříve, i když teprve dlouhodobé sledování bude moci určit, zda se jedná o trvalou změnu.
Tento výsledek je důležitý, protože ukazuje, jak citlivé jsou ledovce na malé změny vody u jejich základny. Úprava efektivní tloušťky ledu o několik centimetrů se může promítnout do významných změn rychlosti ledu. V jiných souvislostech, například u ledovců, které ústí do moře, mohou tyto změny rychlosti ovlivnit stabilitu ledovcových šelfů a v konečném důsledku i hladinu moře.
Jezerní vrstvy se otřásají
V hloubce přibližně 18 metrů se voda v jezeře Bonney během těchto týdnů ochladila na 1,5 °C, což umožnilo hustému solnému roztoku sklouznout do jezera do hloubky, kde se jeho hmotnost vyrovnala s hmotností okolní vody a poté se rozšířit do stran.
Tato injekce změnila stratifikaci jezera, tedy vrstvy, které za normálních okolností brání promíchávání vody, a pravděpodobně přerozdělila živiny horizontálně.
Jezero Bonney je celoročně zaledněné jezero s vrstvami vody, které jsou velmi diferencované co do salinity, teploty a chemického složení. Za normálních okolností zůstávají tyto vrstvy téměř nehybné, oddělené jako vrstvy na koktejlovém večírku. Příliv studeného, hustého solného roztoku působí jako „lžíce“, která systém částečně rozvíří a umožní živinám a chemickým sloučeninám pohybovat se do stran.
Pro mikroby, kteří jezero obývají, mohou tyto impulsy představovat přísun zdrojů (např. železa, síry nebo uhlíku), které v určitých hloubkách oživují biologickou aktivitu. Odvodnění pod ledovcem tak může mít ekologické důsledky kilometry daleko a týdny po viditelném vypouštění.
Mimo vodu zjistil letecký senzor hlubokou slanou vodu pod dnem údolí, v oblastech vzdálených od jakéhokoli tání.
Data odhalila podzemní kanály dlouhé nejméně tři míle (4,8 km), což naznačuje, že se solanka může pohybovat skrz horninu, než se dostane do ledu.
Následně radarové průzkumy schopné proniknout do ledovce sledovaly kanály solanky v samotném ledu v délce několika kilometrů.
Tyto mapy pomohly vysvětlit, proč se jeden tok může vynořovat v trhlině, zatímco jiný solanka tiše postupuje do jezera, a propojit tak podpovrchové procesy s pozorovanými změnami na vodní hladině.
Dohromady tato pozorování vykreslují překvapivě rozsáhlý podledovcový „vodovodní“ systém, kde slaná voda protéká skrz horniny, proniká do ledu, koncentruje se, ochlazuje a občas nachází velkolepý odtok v podobě červeného vodopádu.
Přírodní laboratoř pro studium jiných světů
Suchá údolí McMurdo jsou považována za jednu z nejbližších obdob Marsu na Zemi: extrémně chladné a suché klima, intenzivní větry, slaná půda a stálý led. Krvavé vodopády a s nimi spojený systém solanek se tak staly přirozenou laboratoří pro astrobiologii.
Pokud může život přetrvávat v temných, chladných a izolovaných solankách pod antarktickým ledem, je pravděpodobné, že podobná prostředí na Marsu nebo na ledových měsících také ukrývají mikrobiální společenstva. Zde pozorované fyzikální procesy – koncentrace soli, podpovrchová cirkulace, epizodické uvolňování – pomáhají vědcům interpretovat chemické a geologické signály na jiných planetách, jako jsou solné skvrny, ložiska oxidů nebo sezónní změny povrchu.
Co nás to učí?
Dnes už Krvavý vodopád nevnímáme jen jako podivnou skvrnu, ale jako místo uvolňování tlaku spojující led, skálu a jezero. Budoucí terénní kampaně by mohly instalovat rozsáhlejší sítě senzorů, což by Louisianské státní univerzitě umožnilo analyzovat, zdatrendy oteplování ovlivňují četnost vypouštění tohoto systému.
Globální oteplování již mění chování mnoha světových ledovců. Přestože suchá údolí McMurdo zůstávají extrémně chladným prostředím, malé změny teploty vzduchu a větrných poměrů mohou změnit rovnováhu mezi ledem, solankou a jezerem. Pochopení toho, jak ledovec Taylor na tyto změny reaguje, nám pomůže:
- zdokonalit modely dynamiky ledovců a zahrnout do nich roli podledovcových solanek.
- předpovídat změny v izolovaných jezerních ekosystémech citlivých na pulzy vody a živin.
- Zpřesnit strategie pro hledání života v extrémních prostředích na Zemi i mimo ni.
Každý „výbuch krve“ u Krvavých vodopádů je nakonec zprávou z nitra ledovce. Připomíná, že i v nejchladnější, zdánlivě nehybné krajině na planetě se voda stále pohybuje, reaguje a utváří svět, který vidíme na povrchu.