Nieuw vakgebied cryo-seismologie geeft inzicht in gletsjerbewegingen

De cryosfeer, het gebied op aarde waar water voorkomt in bevroren toestand, speelt een belangrijke rol in het klimaat op aarde. Bovendien zijn effecten van klimaatveranderingen hier het sterkst meetbaar. Een nieuw vakgebied, cryo-seismologie, heeft zich de afgelopen jaren ontwikkeld waarbij seismologische metingen worden aangewend voor metingen aan de cryosfeer. Studies laten zien dat seismische metingen inzicht geven in gletsjerbewegingen en een rol kunnen spelen in waarschuwingssystemen. Hierin spelen ook nieuwe instrumentatietechnieken, waarbij gebruik wordt gemaakt van glasvezelkabel, een belangrijke rol.

Opkomst van een onderzoeksveld

Het viel de eerste poolreizigers al op tijdens hun eerste reizen: het enorme lawaai en getril door de beweging van ijsmassa’s. Maar aangezien tektonische aardbevingen betrekkelijk weinig voorkomen in de poolgebieden, werd door seismologen initieel weinig metingen gedaan aan ijsmassa’s.

Toen in 2003 bleek dat deze glaciale aardbevingen over duizenden kilometers meetbaar zijn, groeide de interesse en werden seismische netwerken in de cryosfeer uitgebreid, wat wederom tot meer onderzoek leidde. Inmiddels is er een nieuw vakgebied op het raakvlak tussen de glaciologie en seismologie: cryo-seismologie, dat zich bezighoudt met de detectie en identificatie van seismische trillingen in de cryosfeer (figuur 1). De tijdsresolutie en hoge mate van gevoeligheid bieden hierbij een vernieuwd perspectief op de bewegingen van ijsmassa’s.

Een diversiteit aan ijstrillingen

Het onderzoek van Podolskiy en Walter uit 2016 geeft een overzicht van het brede scala aan cryo-seismische bronnen en de bijbehorende karakteristieke seismische magnitudes (variërend tussen magnitude -3 en 7) en trillingsfrequenties (variërend tussen 0.001 en 100 Hz). Glaciale processen op kleinere schaal hebben typisch lagere seismische magnitudes en hogere trillingsfrequenties en zijn daarom vaak alleen op lokale schaal meetbaar. Terwijl het afbreken van complete ijsbergen wereldwijd meetbaar kan zijn als zeer laagfrequente trillingen. Aangezien de bronactiviteit sterk is gekoppeld aan de lucht- of watertemperatuur, heeft de seismiciteit een seizoengebonden karakter.

Figuur 2 laat cryo-seismische activiteit van de Whillans ijsvlakte op Antarctica zien en toont aan, dat tijdens een relatief plotselinge beweging van de ijsvlakte, een drietal pulsen worden gemeten op een seismometer die op de ijsvlakte is geïnstalleerd. Volgens de GPS data betreft het een beweging van een halve meter gedurende twintig minuten. Bovendien zijn deze pulsen detecteerbaar op een seismometer op een afstand van 1000 kilometer.

Meten met een glasvezelkabel

Binnen de seismologie wordt tegenwoordig veel onderzoek gedaan naar het gebruik van glasvezelkabel om seismische metingen te doen. Dit zijn zogenaamde “Distributed Acoustic Sensing” (DAS) systemen. Het gebruik van DAS maakt het mogelijk om seismische golven langs een kabel te meten, in plaats van op een punt, zoals een klassieke seismometer meet. Hierdoor wordt het mogelijk om op zeer hoge resolutie seismische golven te meten, op moeilijk toegankelijke plekken.

Een recente studie in het vakblad Nature Communications laat het enorme potentieel van DAS systemen voor de monitoring van gletsjers zien, evenals de waarde voor waarschuwingssystemen. In de studie wordt een kilometer lang DAS systeem aangewend om te meten op de Rhônegletsjer in de Zwitserse Alpen (figuur 3). Uit de resultaten volgt dat het mogelijk is om de gletsjerbewegingen en vallende rotsen in kaart te brengen. Bovendien stellen de metingen de onderzoekers in staat om schattingen te maken van de dikte en samenstelling van de gletsjer.

KNMI-klimaatbericht door Jelle Assink