Mikroskopiske defekter i is påvirker, hvordan massive gletsjere flyder, viser undersøgelse

Mens de siver og kælver ned i havet, hæver smeltende gletsjere og iskapper den globale vandstand med hidtil usete hastigheder. For at forudsige og forberede sig på fremtidig havniveaustigning har forskerne brug for en bedre forståelse af, hvor hurtigt gletsjere smelter, og hvad der påvirker deres strømning.

Nu giver en undersøgelse fra MIT-forskere et nyt billede af gletsjerstrømmen baseret på mikroskopisk deformation i isen. Resultaterne viser, at en gletsjers strømning afhænger stærkt af, hvordan mikroskopiske defekter bevæger sig gennem isen.

Værket er publiceret i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskerne fandt ud af, at de kunne estimere en gletsjers strømning baseret på, om isen er tilbøjelig til mikroskopiske defekter af en slags kontra en anden. De brugte dette forhold mellem mikro- og makroskala deformation til at udvikle en ny model for, hvordan gletsjere flyder. Med den nye model kortlagde de strømmen af ​​is på steder på tværs af det antarktiske indlandsis.

I modsætning til konventionel visdom fandt de, at iskappen ikke er en monolit, men i stedet er mere varieret i, hvor og hvordan den flyder som reaktion på opvarmningsdrevne spændinger. Undersøgelsen "ændrer dramatisk de klimaforhold, under hvilke havisen kan blive ustabil og drive hurtige havniveaustigninger," skriver forskerne i deres papir.

"Dette studie viser virkelig effekten af ​​mikroskala-processer på makroskala-adfærd," siger Meghana Ranganathan, Ph.D., der ledede undersøgelsen som kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) og nu er postdoc. hos Georgia Tech. "Disse mekanismer sker på skalaen af ​​vandmolekyler og kan i sidste ende påvirke stabiliteten af ​​den vestantarktiske iskappe."

"Gletschere accelererer bredt, og der er mange varianter omkring det," tilføjer medforfatter og EAPS-lektor Brent Minchew. "Dette er den første undersøgelse, der tager et skridt fra laboratoriet til iskapperne og begynder at evaluere, hvad stabiliteten af ​​is er i det naturlige miljø. Det vil i sidste ende bidrage til vores forståelse af sandsynligheden for en katastrofal havniveaustigning."

Mikroflow

Glacier flow beskriver isens bevægelse fra toppen af ​​en gletsjer, eller midten af ​​en iskappe, ned til kanterne, hvor isen derefter brækker af og smelter ned i havet - en normalt langsom proces, der over tid bidrager til at hæve verdens gennemsnitlige havniveau.

I de senere år er havene steget med hidtil usete hastigheder, drevet af global opvarmning og den accelererede afsmeltning af gletsjere og iskapper. Selvom tabet af polaris er kendt for at være en væsentlig bidragyder til stigning i havniveauet, er det også den største usikkerhed, når det kommer til at lave forudsigelser.

"En del af det er et skaleringsproblem," forklarer Ranganathan. "Mange af de fundamentale mekanismer, der får is til at flyde, sker i en virkelig lille skala, som vi ikke kan se. Vi ønskede at præcisere, hvad disse mikrofysiske processer er, der styrer isstrømmen, hvilket ikke har været repræsenteret i modeller af havniveauændring."

Holdets nye undersøgelse bygger på tidligere eksperimenter fra begyndelsen af ​​2000'erne af geologer ved University of Minnesota, som undersøgte, hvordan små isspåner deformeres, når de bliver fysisk stressede og komprimerede. Deres arbejde afslørede to mikroskopiske mekanismer, hvorved is kan flyde:"dislokationskryb", hvor molekylestore revner migrerer gennem isen, og "korngrænseglidning", hvor individuelle iskrystaller glider mod hinanden, hvilket får grænsen mellem dem til at flytte sig. gennem isen.

Geologerne fandt ud af, at isens følsomhed over for stress, eller hvor sandsynligt det er, at det flyder, afhænger af, hvilken af ​​de to mekanismer, der er dominerende. Specifikt er is mere følsom over for stress, når mikroskopiske defekter opstår via dislokationskryb frem for korngrænseglidning.

Ranganathan og Minchew indså, at disse fund på mikroskopisk niveau kunne omdefinere, hvordan is flyder på meget større glaciale skalaer.

"Nuværende modeller for havniveaustigning antager en enkelt værdi for isens følsomhed over for stress og holder denne værdi konstant over en hel iskappe," forklarer Ranganathan. "Hvad disse eksperimenter viste var, at der faktisk er en del variation i isfølsomhed, på grund af hvilken af ​​disse mekanismer der er i spil."

Et kortlægningsmatch

Til deres nye undersøgelse tog MIT-teamet indsigt fra de tidligere eksperimenter og udviklede en model til at estimere en iskold regions følsomhed over for stress, som er direkte relateret til hvor sandsynligt, at isen flyder. Modellen tager oplysninger som den omgivende temperatur, den gennemsnitlige størrelse af iskrystaller og den estimerede masse af is i regionen og beregner, hvor meget isen deformeres ved dislokationskryb kontra korngrænseglidning. Afhængigt af hvilken af ​​de to mekanismer der er dominerende, estimerer modellen så regionens følsomhed over for stress.

Forskerne fodrede ind i modellen med faktiske observationer fra forskellige steder på tværs af det antarktiske indlandsis, hvor andre tidligere havde registreret data såsom den lokale højde af is, størrelsen af ​​iskrystaller og den omgivende temperatur. Baseret på modellens estimater genererede holdet et kort over isens følsomhed over for stress på tværs af det antarktiske indlandsis. Da de sammenlignede dette kort med satellit- og feltmålinger taget af indlandsisen over tid, observerede de et tæt match, hvilket tyder på, at modellen kunne bruges til præcist at forudsige, hvordan gletsjere og iskapper vil flyde i fremtiden.

"Når klimaændringerne begynder at fortynde gletsjere, kan det påvirke isens følsomhed over for stress," siger Ranganathan. "Den ustabilitet, vi forventer i Antarktis, kan være meget anderledes, og vi kan nu fange disse forskelle ved at bruge denne model."