Fysikken af ​​en glacial slushy afslører granulære kræfter i massiv skala

Lovene for, hvordan granulære materialer flyder, gælder selv ved giganten, geofysisk skala af isbjerge, der hober sig op i havet ved udløbet af en gletsjer, videnskabsmænd har vist.

Det Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) offentliggjort resultaterne, beskriver dynamikken i klodsen af ​​isbjerge – kendt som en isblanding – foran Grønlands Jakobshavn-gletsjer. Den hurtigt bevægende gletsjer betragtes som en klokke for virkningerne af klimaændringer.

"Vi har koblet mikroskopiske teorier for mekanikken bag granulær strømning med verdens største granulære materiale - en gletsjer-isblanding, " siger Justin Burton, en assisterende professor i fysik ved Emory University og hovedforfatter af papiret. "Vores resultater kan hjælpe forskere, der forsøger at forstå den fremtidige udvikling af Grønlands og Antarktis iskapper. Vi har vist, at en isblanding potentielt kan have en stor og målbar effekt på produktionen af ​​store isbjerge ved en gletsjer."

National Science Foundation finansierede forskningen, som samlede fysikere, der studerer den grundlæggende mekanik af granulære materialer i laboratorier og glaciologer, der bruger deres somre på at udforske polare iskapper.

"Glaciologer beskæftiger sig generelt med langsomme, konstant deformation af glacialis, som opfører sig som tyk melasse - et tyktflydende materiale, der kryber mod havet, " siger medforfatter Jason Amundson, en glaciolog ved University of Alaska Southeast, Juneau. "Ismelange, på den anden side, er grundlæggende et granulært materiale - i det væsentlige en kæmpe slushy - der er styret af forskellig fysik. Vi ønskede at forstå adfærden af ​​ismel og dens virkninger på gletsjere."

I tusinder af år, de massive gletsjere i Jordens polare områder er forblevet relativt stabile, isen låste sig fast i bjergrige former, der ebbede ud i de varmere måneder, men fik tilbage om vinteren. I de seneste årtier har imidlertid, varmere temperaturer er begyndt hurtigt at tø disse frosne giganter op. Det bliver mere almindeligt, at isplader – omkring en kilometer høje – skifter, knækker og vælter i havet, spaltning fra deres modergletsjere i en eksplosiv proces kendt som kælvning.

Jakobshavn-gletsjeren bevæger sig så hurtigt som 50 meter om dagen, indtil den når havkanten, et punkt kendt som gletsjerens endestation. Omkring 35 milliarder tons isbjerge kælver af Jakobshavn Glacier hvert år, vælter ud i Grønlands Ilulissat fjord, en stenet kanal, der er omkring fem kilometer bred. Kælvningsprocessen skaber en tumlende blanding af isbjerge, som langsomt presses gennem fjorden af ​​gletsjerens bevægelse. Isblandingen kan strække sig hundreder af meter dybt ned i vandet, men på overfladen ligner den et klumpet snefelt, der hæmmer, men kan ikke stoppe, gletsjerens bevægelse.

"En isblanding er lidt som skærsilden for isbjerge, fordi de er brudt ud i vandet, men de har endnu ikke nået det åbne hav, " siger Burton.

Mens forskere længe har undersøgt, hvordan is dannes, bryder og flyder i en gletsjer, ingen havde kvantificeret det granulære flow af en isblanding. Det var en uimodståelig udfordring for Burton. Hans laboratorium skaber eksperimentelle modeller af glaciale processer for at forsøge at kvantificere deres fysiske kræfter. Det bruger også mikroskopiske partikler som en model til at forstå den grundlæggende mekanik af granuleret, amorfe materialer, og grænsen mellem en fritflydende tilstand og en stiv, en fastklemt.

"Kornet materiale er overalt, fra pulveret, der udgør lægemidler til sandet, snavs og sten, der former vores jord, " siger Burton. Og alligevel, tilføjer han, egenskaberne af disse amorfe materialer er ikke så velforståede som for væsker eller krystaller.

Ud over Amundson, Burtons medforfattere på PNAS-papiret inkluderer glaciolog Ryan Cassotto - tidligere med University of New Hampshire og nu med University of Colorado Boulder - og fysikerne Chin-Chang Kuo og Michael Dennin, fra University of California, Irvine.

Forskerne karakteriserede både flowet og den mekaniske belastning af Jacobshavn-isen ved hjælp af feltmålinger, satellitdata, laboratorieforsøg og numerisk modellering. Resultaterne beskriver kvantitativt strømmen af ​​isblandingen, når den sætter sig fast og løsner sig under sin rejse gennem fjorden. Avisen viste også, hvordan ismelen kan fungere som en "granulær ishylde" i sin fastklemte tilstand, støtte selv de største isbjerge, der kælvede ned i havet.

"Vi har vist, at glaciologer, der modellerer opførselen af ​​ishylder med ismelinger, bør tage højde for kræfterne fra disse melanger, " siger Burton. "Vi har givet dem de kvantitative værktøjer til at gøre det."