Los arroyos subglaciales son conductos de agua de deshielo glacial que fluyen en la base de los glaciares y los casquetes polares . [1] El agua de deshielo de la superficie glacial viaja hacia abajo a lo largo del glaciar, formando un sistema de drenaje englacial que consiste en una red de pasajes que eventualmente llegan al lecho rocoso debajo, donde forman arroyos subglaciales. [1] Los arroyos subglaciales forman un sistema de túneles y cavidades y conductos interconectados, con agua fluyendo bajo presiones extremas desde el hielo de arriba; como resultado, la dirección del flujo está determinada por el gradiente de presión del hielo y la topografía del lecho en lugar de la gravedad. [1] Los arroyos subglaciales forman un sistema dinámico que responde a las condiciones cambiantes, y el sistema puede cambiar significativamente en respuesta a la variación estacional del agua de deshielo y la temperatura. [2] El agua de los arroyos subglaciales se dirige hacia el término glacial , donde sale del glaciar. [2] La descarga de corrientes subglaciales puede tener un impacto significativo en las condiciones ambientales y geológicas locales y, en algunos casos, globales. [3] Los sedimentos, nutrientes y materia orgánica contenidos en el agua de deshielo pueden influir en las condiciones marinas y aguas abajo. [4] El cambio climático puede tener un impacto significativo en los sistemas de corrientes subglaciales, aumentando el volumen de agua de deshielo que ingresa a los sistemas de drenaje subglacial e influyendo en su hidrología . [2]
Los arroyos subglaciales obtienen su agua de dos fuentes: agua de deshielo transportada desde la parte superior del glaciar y agua de deshielo del lecho glaciar. [2] Cuando las temperaturas son lo suficientemente altas como para inducir el derretimiento en la superficie del glaciar, típicamente durante el verano, el agua fluye hacia el glaciar. [2] El agua de deshielo superficial fluye hacia abajo a través de canales de tamaño milimétrico que se unen en una red de afluentes, creciendo en tamaño hasta alcanzar el lecho rocoso. [1] Además, parte del agua es transportada a la superficie por molinos (grandes pozos verticales de hasta diez metros de ancho que van desde la superficie hasta una elevación más baja, a veces hasta el lecho glaciar). [5] [1] Las fracturas, grietas y cavidades entre los glaciares y las paredes del valle también pueden proporcionar vías para que el agua llegue al lecho. [5] Si bien el agua de deshielo superficial puede depender de la temporada, los lechos de los glaciares templados se mantienen en el punto de fusión por presión (la combinación de temperatura y presión a la que se derrite el hielo). [2] Esta agua líquida en el lecho, presente en los glaciares templados pero no en los polares, proporciona un aporte constante de agua a los sistemas fluviales subglaciales. [2] El agua de estas dos fuentes se encuentra y se concentra en la base del lecho rocoso del glaciar, donde la presión del hielo que está encima la obliga a moverse hacia el extremo glacial, creando una red de pasadizos a medida que avanza hacia afuera del glaciar. [2]
El agua de los arroyos subglaciales está sujeta a grandes cantidades de presión de la masa de hielo que se encuentra por encima; como resultado, la dirección del flujo de agua no se puede explicar de la misma manera que en los arroyos superficiales típicos. [2] El flujo de agua subglacial está determinado, en gran medida, por gradientes de presión creados por el peso y el movimiento del glaciar. [1] Como resultado, en lugar de seguir la pendiente del lecho, los arroyos pueden fluir hacia arriba y a través de las pendientes. [2] Este comportamiento se puede describir al considerar la presión dentro de los glaciares como superficies equipotenciales ; a medida que el agua es empujada desde áreas de alta presión a áreas de baja presión, viaja en una dirección normal a estas superficies. [1]
Los sistemas de corrientes subglaciales se pueden clasificar en dos categorías según la disposición y el tipo de pasajes que conforman el sistema: canalizados y distribuidos. [5]
Los sistemas de drenaje canalizado se caracterizan por el flujo de agua predominantemente a través de túneles a lo largo del lecho del glaciar que llevan el agua de deshielo rápidamente y directamente al término glacial. [5] Estos túneles están dispuestos en una red de afluentes, uniéndose y creciendo en tamaño a medida que se acercan al término. [2] El agua se mueve rápidamente en estos sistemas, y la presión dentro de los canales es relativamente baja en comparación con la presión en el hielo que los rodea. [5] La turbulencia en el flujo rápido produce calor, que puede derretir las paredes de hielo de los túneles. [5] Si bien el agua total agregada al sistema por este proceso es insignificante en comparación con el agua de la superficie y del derretimiento basal, el derretimiento de las paredes del canal permite que el canal permanezca abierto incluso cuando las presiones del hielo que lo rodean son mucho mayores que la presión del agua en el interior. [5] La erosión constante de las paredes del túnel puede compensar el estrechamiento del túnel causado por la deformación del hielo. [5] Dependiendo del suministro de agua y las características del lecho, los túneles pueden tomar diferentes formas, incluyendo túneles semicirculares que cortan el hielo, túneles anchos y bajos, y túneles que cortan el lecho en lugar del hielo. [2] Los túneles anchos y bajos se forman en canales con cantidades variables de agua de deshielo, ya que el deshielo se concentra en las paredes del túnel en lugar del techo cuando el túnel no está completamente lleno de agua. [2] Los canales que mantienen la estabilidad a largo plazo en el flujo de agua y la ubicación pueden erosionar el lecho rocoso con el tiempo, lo que da como resultado túneles que cortan el lecho en lugar del hielo que está encima. [2]
Los sistemas de drenaje distribuido pueden consistir en una red de cavidades conectadas, flujo poroso y canales en el sedimento, y una película delgada entre el hielo y el lecho. [5] Las películas de agua entre el hielo y el lecho rocoso rara vez son más gruesas que decenas de micrómetros, y se forman en áreas que están aisladas de canales y cavidades, se mantienen en el punto de fusión de presión y están por encima del lecho impermeable. [2] El flujo en películas no representa una gran cantidad del flujo total de agua de deshielo fuera del glaciar, pero puede ser importante en el movimiento de deslizamiento de los glaciares . [2] En los casos en que los glaciares están sobre sedimentos porosos y no consolidados, algo de agua puede fluir a través del sedimento; al igual que el flujo de película, el flujo poroso no representa gran parte del flujo de agua en el sistema. [2] Cuando el lecho es deformable, se pueden formar canales anchos y poco profundos de hasta 10 cm de ancho en la superficie del sedimento, cubiertos por el hielo glacial. [2] [6] En los glaciares con pendientes pronunciadas, los sistemas de canales son inestables, ya que pueden ser absorbidos fácilmente por los canales sobre el sedimento. [6] A medida que los glaciares se mueven sobre los baches en el lecho rocoso, las diferencias de presión pueden separar el hielo del lecho detrás del baches si el glaciar se mueve lo suficientemente rápido. [2] [1] Esto crea cavidades entre el glaciar y el lecho, que se llenan de agua. [2] Si la presión del agua es lo suficientemente alta, la cavidad se expande y el agua puede causar más separación entre el hielo y el lecho que rodea la cavidad. [1] Con un suministro de agua sostenido, se forman pequeños pasajes entre las cavidades, creando una gran red de cavidades conectadas entre las cuales fluye el agua. [1] El agua en los sistemas de cavidades conectadas fluye, en promedio, en una dirección normal a las superficies equipotenciales de presión en el glaciar. [1] Sin embargo, el camino tomado es largo e indirecto, y a veces el agua puede fluir casi paralela a las superficies equipotenciales. [1]
La estructura de los sistemas fluviales subglaciales cambia significativamente con el tiempo como resultado de los cambios estacionales en el volumen y la fuente de entrada de agua de deshielo. [5] Durante el invierno, los sistemas fluviales subglaciales están dominados por corrientes distribuidas. [5] Como hay muy poco derretimiento superficial durante esta estación, casi todo el agua de deshielo se deriva del derretimiento basal y la liberación de agua de deshielo almacenada. [5] Ambas fuentes implican pequeñas cantidades de agua liberadas de manera relativamente uniforme a lo largo del lecho del glaciar, lo que hace poco probable que formen grandes canales de drenaje. [2] Algunos túneles importantes permanecen en el sistema durante todo el año y son los principales puntos de descarga durante el invierno, pero el sistema en general se caracteriza por un drenaje distribuido. [5] A medida que aumentan las temperaturas y el derretimiento superficial aumenta el flujo de agua al lecho a fines de la primavera, el sistema fluvial invernal se altera. [2] Los canales de flujo distribuido, que carecen de capacidad para mayores volúmenes de agua de deshielo, experimentan un aumento en la presión del agua y se desestabilizan. [2] Las altas presiones del agua conducen a la formación de túneles más grandes (un proceso conocido como canalización) que tienen una mayor capacidad para el agua de deshielo y permiten que las presiones disminuyan. [7] Este cambio puede ocurrir gradualmente o puede ser provocado por eventos que aumentan rápidamente el flujo de agua de deshielo, como días consecutivos de alto deshielo o una gran tormenta. [2] El sistema ahora canalizado crece en extensión durante todo el verano a medida que la entrada de agua de deshielo continúa aumentando, y se forman nuevos pasajes que crecen en tamaño. [2] En otoño, el deshielo de la superficie disminuye y el volumen de agua de deshielo ya no es suficiente para mantener los canales recién formados; la deformación del hielo circundante cierra lentamente los canales que no generan suficiente fusión por fricción a lo largo de sus paredes para compensar el cierre. [2] Finalmente, un sistema de arroyos distribuidos vuelve a ser dominante. [2] Algunos canales perennes permanecen durante la temporada de invierno, pero los canales formados en primavera desaparecen; cuando se forman nuevos túneles nuevamente el año siguiente, no se forman en los mismos lugares que los que se cerraron. [5]
La descarga de los sistemas de corrientes subglaciales de los glaciares que terminan en el mar en el océano tiene un impacto significativo en el volumen y la distribución del derretimiento glacial en el término. [8] La descarga de corrientes glaciares en el océano emerge como columnas que viajan hasta la superficie del océano a lo largo de la cara del glaciar, que pueden servir como fuentes de calor para el derretimiento glacial. [9] El derretimiento del hielo debido a las columnas de descarga tiene un impacto significativo en áreas en las que las tasas de descarga superan los 100 m 3 /s −1 ; con tasas de descarga menores, el calor asociado a las columnas es insignificante en comparación con los efectos de la mezcla oceánica. [9] La variabilidad estacional juega un papel importante en la forma en que las corrientes subglaciales influyen en el derretimiento glacial. [10] Durante el verano, la salida de la corriente subglacial es mucho mayor, lo que da como resultado columnas que son más grandes, más rápidas y más flotantes que durante el invierno. [10] Además de que el mayor volumen de descarga aumenta el derretimiento glacial, la mayor flotabilidad de la columna da como resultado más turbulencia y, en consecuencia, más transferencia de calor al glaciar, lo que aumenta aún más el derretimiento. [10] El efecto que tiene la descarga de corrientes subglaciales sobre el derretimiento glacial también está influenciado por el tipo de sistema de drenaje subglacial; las corrientes subglaciales distribuidas dan como resultado una salida de agua de derretimiento uniforme a lo largo de la línea de base (donde el glaciar pasa de estar en tierra a estar flotando), mientras que el drenaje canalizado da como resultado salidas individuales y grandes. [8] La descarga distribuida da como resultado volúmenes de derretimiento glacial hasta cinco veces mayores que los del drenaje canalizado, ya que las columnas individuales fuertes de agua de derretimiento no son tan capaces de inducir un derretimiento generalizado como un número mucho mayor de salidas más pequeñas. [8]
En los glaciares templados, que se caracterizan por la presencia de agua líquida en su base y son capaces de deslizarse, las corrientes subglaciales tienen un impacto significativo en el movimiento glaciar. La presión del agua y la fricción que se experimenta en la base de un glaciar dependen en parte de si el sistema hidrológico subglacial está canalizado o distribuido. [5] Los sistemas canalizados son una forma eficiente de drenaje, ya que pueden sacar rápidamente el agua del glaciar, lo que reduce la presión del agua en el sistema. [5] Al disminuir la presión del agua debajo del glaciar, aumenta la fricción entre el hielo del glaciar y el lecho de roca debajo, lo que ralentiza el movimiento del glaciar. [5] Los sistemas de flujo distribuido, por el contrario, se caracterizan por un agua de movimiento lento en pequeñas cavidades y pasajes; cuando el flujo de agua hacia el sistema aumenta, como durante los períodos de alto derretimiento, el sistema no puede compensar, lo que resulta en grandes aumentos en la presión del agua basal. [5] Como resultado, la fricción entre el glaciar y el lecho se reduce y la velocidad de deslizamiento glacial aumenta. [5] El movimiento glacial también puede causar cambios en los sistemas de corrientes subglaciales, y hay retroalimentaciones presentes entre los dos. [7] A medida que aumenta la presión del agua subglacial, aumenta la velocidad de deslizamiento glacial. El glaciar encuentra baches en el lecho rocoso mientras se desliza: como resultado, se crean cavidades entre el hielo y el lecho. [7] El glaciar encuentra más baches debido a su mayor velocidad y, dado que el hielo que se mueve a mayor velocidad es menos capaz de mantener la conexión con el lecho rocoso, los glaciares que se mueven más rápido tienen más probabilidades de formar cavidades al pasar sobre baches. [2] [1] Esto aumenta el espacio subglacial que se puede llenar con agua, lo que disminuye la presión basal del agua. [7] La interacción entre el movimiento glaciar y la hidrología subglacial crea un ciclo de retroalimentación negativa, en el que el aumento de la presión del agua debajo del glaciar aumenta la velocidad de deslizamiento glaciar, lo que a su vez disminuye la presión y, en consecuencia, la velocidad de deslizamiento. A través de este mecanismo, los efectos de los eventos de aceleración pueden disminuir con el tiempo. [7] Otro control sobre la velocidad de deslizamiento glaciar es el proceso de canalización. [7] Los altos niveles sostenidos de entrada de agua de deshielo dan como resultado un cambio de una red distribuida de corrientes subglaciales a un sistema más canalizado a medida que se desarrollan pasajes más grandes a través del hielo. [7] A medida que los canales más grandes pueden eliminar agua de manera más eficiente del sistema subglacial, la presión del agua disminuye, lo que aumenta la fricción entre el glaciar y el lecho rocoso y disminuye la velocidad de deslizamiento. [7]La canalización es el proceso más importante en la finalización de los eventos de aceleración y es responsable de la desaceleración de la velocidad glacial al final del verano luego de la aceleración que se observa comúnmente a medida que aumenta el flujo de agua de deshielo en primavera. [7]
Los arroyos subglaciales transportan una cantidad significativa de materia orgánica y nutrientes, que se originan tanto del agua de deshielo supraglacial como de los procesos subglaciales. [4] El agua de deshielo de los entornos supraglaciales que contiene carbono orgánico disuelto producido por microbios , o DOC, fluye hacia los glaciares, llegando finalmente a los sistemas de arroyos subglaciales, que transportan la materia orgánica fuera del glaciar. [4] Esta fuente de DOC se complementa con materia orgánica producida dentro de los ecosistemas subglaciales, donde hay diversas comunidades microbianas. [4] Aunque la concentración de materia orgánica disuelta en el agua de deshielo glacial es baja, la gran cantidad de descarga de agua dulce de los glaciares hace que el DOC de origen glacial sea una fuente importante de carbono biodisponible para los ecosistemas marinos. [11] Solo en el Golfo de Alaska , la escorrentía glacial proporciona 0,13 Tg de carbono orgánico por año, gran parte del cual viaja a través de arroyos subglaciales. [11] Los arroyos subglaciales también transportan varios otros nutrientes importantes. Los procesos geológicos, incluida la trituración de los glaciares sobre el lecho rocoso inferior y la interacción agua-roca, garantizan que los minerales se introduzcan continuamente en el sistema subglacial. [4] [3] El hierro transportado por corrientes subglaciales, por ejemplo, proviene principalmente de la meteorización subglacial y puede ser responsable de un flujo de Fe lo suficientemente grande como para influir significativamente en la química oceánica global en escalas de tiempo geológicas. [3] Los procesos biológicos también proporcionan nutrientes a las corrientes subglaciales, con nitrificación y desnitrificación por microbios que afectan a las comunidades río abajo durante los períodos de derretimiento. [4]
Los arroyos subglaciales pueden transportar, depositar y remover sedimentos del lecho glaciar; este proceso está influenciado por el suministro de agua y la cantidad y características del sedimento disponible. [12] El tamaño de las partículas de sedimento, la pendiente del canal del arroyo subglacial y la rugosidad del lecho contribuyen a si el sedimento se moviliza o deposita. [12] Los eventos de inundación subglacial pueden resultar en una erosión significativa y transporte de sedimentos , y los estudios que modelan los canales subglaciales sugieren que el flujo estacional de agua de deshielo por sí solo puede erosionar el lecho rocoso y transportar sedimentos tan grandes como cantos rodados. [12] Por el contrario, cuando la presión del agua es baja, como al final de una temporada de deshielo, se depositan sedimentos. [12] Cuando el suministro de sedimentos es lo suficientemente alto, la deposición de sedimentos puede formar un esker : una cresta alargada de sedimento que llena el canal del arroyo subglacial en el que se forma. [13] Estos eskers pueden ser temporales, durando solo hasta que el aumento de la presión del agua durante la siguiente temporada de deshielo elimine el sedimento, o podrían ser permanentes. [12] La formación permanente de eskers es más común en glaciares y capas de hielo en retroceso, ya que sus extremos se están adelgazando, lo que favorece la deposición de sedimentos. [12] Los glaciares y las capas de hielo que avanzan presentan extremos más empinados, lo que aumenta las tensiones de corte y, en consecuencia, la presión del agua, lo que favorece el lavado de sedimentos depositados fuera de los canales de los arroyos. [12]
Es probable que el cambio climático antropogénico provoque cambios significativos en los sistemas fluviales subglaciales. A medida que aumenta el derretimiento de los glaciares como resultado del aumento de las temperaturas globales, también aumenta el flujo de agua hacia los arroyos subglaciales y su descarga desde ellos. [11] Una mayor entrada de agua proveniente del derretimiento superficial puede afectar la hidrología de los sistemas subglaciales, modificando el momento de las variaciones estacionales. [14] Como resultado del aumento del agua de deshielo inducido por el cambio climático, es probable que mayores volúmenes de agua lleguen al lecho a principios de año. [14] Esto provocaría que la transición del drenaje subglacial distribuido en invierno a los arroyos canalizados en verano se produjera a principios de año. [14] El movimiento glacial también podría verse afectado: dado que los glaciares dominados por sistemas canalizados tienen velocidades de deslizamiento menores, la transición más temprana a este sistema podría dar lugar a glaciares de movimiento más lento. [14] Sin embargo, las fluctuaciones a corto plazo en el volumen y la presión del agua de deshielo, que pueden volverse más intensas a medida que aumenta la escorrentía, podrían compensar esta disminución del deslizamiento al provocar aceleraciones localizadas. [14] Es probable que el aumento del volumen de descarga de corrientes subglaciales incremente el derretimiento de los glaciares que terminan en el mar, ya que las tasas de derretimiento submarino son muy sensibles a la cantidad de descarga subglacial. [10]