Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Natur

Eksperimenter fører til skridlov for bedre prognoser for gletsjerhastighed, havniveaustigning

Hvordan eksperimenter til at simulere de enorme kræfter, der er involveret i gletsjerstrømmen, deformerer tillen under en ring af is. Perlerne blev anbragt lodret i kassen - en glacialt aflejret blanding af mudder, sand og stenpartikler -- men er blevet flyttet af isens bevægelse. Kredit:Lucas Zoet

Bakket op af eksperimentelle data fra en laboratoriemaskine, der simulerer de enorme kræfter, der er involveret i gletsjerstrømmen, glaciologer har skrevet en ligning, der redegør for bevægelsen af ​​is, der hviler på det bløde, deformerbar jord under usædvanligt hurtigt bevægelige dele af iskapper.

Den ligning - eller "slip lov" - er et værktøj, som videnskabsmænd kan inkludere i computermodeller af gletsjerbevægelse over de deformerbare lejer af mudder, sand, småsten, klipper og kampesten under gletsjere som den vestantarktiske iskappe, sagde Neal Iverson, projektlederen og en professor i geologiske og atmosfæriske videnskaber ved Iowa State University. Modeller, der bruger den nye skridlov, kunne bedre forudsige, hvor hurtigt gletsjere glider, hvor meget is de sender til havene, og hvordan det ville påvirke havniveaustigningen.

En artikel offentliggjort online i dag af tidsskriftet Videnskab beskriver den nye glidelov og de forsøg og data, der motiverer den. Forfattere er Lucas Zoet, en postdoktoral forskningsassistent ved Iowa State fra 2012 til 2015 og nu assisterende professor i geovidenskab ved University of Wisconsin-Madison, og Iverson.

Hvorfor har glaciologer brug for en glidelov?

"Det potentielle sammenbrud af den vestantarktiske iskappe er den største enkeltstående kilde til usikkerhed i vurderinger af fremtidig havniveaustigning, og denne usikkerhed resulterer, delvis, fra ufuldkomment modellerede indlandsisprocesser, "Skrev Zoet og Iverson i deres papir.

Lucas Zoet med sin ringklippeanordning ved University of Wisconsin-Madison. Kredit:Ethan Parrish

Glacier-in-a-freezer

Iverson startede eksperimenter med den 9-fod høje ring-skær-enhed inde i hans laboratoriums walk-in-fryser i 2009. I midten af ​​enheden er en ring af is omkring tre fod på tværs og otte tommer tyk. Under ringen er en hydraulisk presse, der kan lægge så meget som 100 tons kraft på isen og simulere vægten af ​​en gletsjer, der er 800 fod tyk. Over ringen er der motorer, der kan rotere isen med hastigheder på 1 til 10, 000 fod om året.

Isen er omgivet af et kar med temperaturkontrolleret, cirkulerende væske, der holder isringen lige ved sin smeltetemperatur, så den glider på en tynd hinde vand - ligesom alle hurtigtstrømmende gletsjere.

530 $, 000 tilskud fra National Science Foundation støttede udvikling af enheden. Iverson arbejdede sammen med tre ingeniører fra det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory - Terry Herrman, Dan Jones og Jerry Musselman - for at gøre hans ideer til en fungerende maskine.

Og det har virket i omkring et årti, leverer data om, hvordan gletsjere bevæger sig over stiv sten og deformerbart sediment.

Neal Iverson med sin ringklippeanordning, en gletsjer-i-en-fryser, ved Iowa State University. Kredit:Christopher Gannon/Iowa State University.

Et træk på isen

For de eksperimenter, der førte til den nye sliplov, Zoet kørte fra Ames til Madison for at fylde seks, 5-gallon spande med ægte, glacialt aflejret sediment kaldet till, der havde den rigtige blanding af mudder, sand og større stenpartikler.

Han ville øse det ind i ringklipperen for at lave kassen. Han ville derefter konstruere en isring over den ved at fryse lag af vand frøet med iskrystaller. Han ville anvende magt på isen, varm den op, indtil den smeltede, og tænd for maskinen.

"Vi var ude efter det matematiske forhold mellem træk, der holder isen tilbage i bunden af ​​gletsjeren, og hvor hurtigt gletsjeren ville glide, " sagde Iverson. "Det omfattede at studere virkningen af ​​forskellen mellem istryk på lejet og vandtryk i kassens porer - en variabel kaldet det effektive tryk, der styrer friktionen."

Dataene indikerede forholdet mellem "træk, glidehastighed og effektivt tryk, der er nødvendigt for at modellere gletsjerstrømmen, " sagde Iverson.

Dette billede fanger det, der engang var islejegrænsefladen for en gletsjer, der siden er smeltet. Den store klat på billedet er blevet skubbet af den nu smeltede gletsjer gennem lejematerialet, som det er indkapslet i. Denne proces kaldes pløjning. Kredit:Lucas Zoet

"Gletscheris er en meget tyktflydende væske, der glider hen over et substrat - i dette tilfælde en deformerbar jordbund - og friktion ved lejet giver den modstand, der holder isen tilbage, " sagde Iverson. "I fravær af friktion, isens vægt ville få den til at accelerere katastrofalt som nogle jordskred."

Men det er næsten umuligt at få trækdata i marken. Zoet sagde, at handlingen med at bore gennem isen ville ændre grænsefladen mellem gletsjeren og sengen, gør målinger og data mindre nøjagtige.

Så Iverson byggede sin laboratorieenhed til at indsamle disse data, og Zoet har bygget en lidt mindre version til sit Wisconsin-laboratorium. Zoets maskine har et gennemsigtigt prøvekammer, så forskerne kan se mere af, hvad der sker under et eksperiment.

Den resulterende eksperimentelt baserede glidelov for gletsjere, der bevæger sig over bløde senge, skulle gøre en forskel i forudsigelser om gletsjerebevægelser og havniveaustigning:

"Islagsmodeller, der bruger vores nye slip-forhold, " sagde Iverson, "ville have en tendens til at forudsige højere isudledninger til havet - og højere hastigheder af havniveaustigninger - end glidelove, der i øjeblikket bruges i de fleste iskappemodeller."


Varme artikler