Små sandkorn udløser massive gletsjerbølger

Omkring 10 procent af jordens landmasse er dækket af gletsjere, hvoraf de fleste glider langsomt hen over landet over år, udskærer fjorde og slæbende floder i deres kølvand. Men omkring 1 procent af gletsjerne kan pludselig stige, vælter ud over landet med 10 til 100 gange deres normale hastighed.

Når dette sker, en gletsjerbølge kan udløse laviner, oversvømmede floder og søer, og overvælde nedstrøms bebyggelser. Hvad der udløser selve stigningerne har været et langvarigt spørgsmål inden for glaciologi.

Nu har forskere ved MIT og Dartmouth College udviklet en model, der fastlægger de forhold, der ville få en gletsjer til at stige. Gennem deres model, forskerne finder, at gletsjerbølgen er drevet af forholdene i det underliggende sediment, og specifikt af de små sedimentkorn, der ligger under en tårnhøj gletsjer.

"Der er en enorm adskillelse af skalaer:Gletschere er disse massive ting, og det viser sig, at deres flow, denne utrolige mængde momentum, er på en eller anden måde drevet af korn af millimeterskala sediment, " siger Brent Minchew, Cecil og Ida Green adjunkt i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Det er en svær ting at få hovedet uden om. Og det er spændende at åbne op for hele denne nye undersøgelseslinje, som ingen rigtig havde overvejet før."

Den nye model for glacial bølge kan også hjælpe forskere med bedre at forstå adfærden af ​​større masser af is i bevægelse.

"Vi tænker på gletsjerbølger som naturlige laboratorier, " siger Minchew. "Fordi de er så ekstreme, forbigående begivenhed, glaciale overspændinger giver os dette vindue til, hvordan andre systemer fungerer, såsom de hurtigt strømmende vandløb i Antarktis, som er de ting, der betyder noget for havniveaustigningen."

Minchew og hans medforfatter Colin Meyer fra Dartmouth har offentliggjort deres resultater i denne måned i tidsskriftet Proceedings of the Royal Society A .

En gletsjer bryder løs

Mens han stadig var ph.d. studerende, Minchew læste gennem "The Physics of Glaciers, "Standard lærebog inden for glaciologi, da han stødte på en ret dyster passage om udsigten til at modellere en gletsjerbølge. Passagen skitserede de grundlæggende krav til en sådan model og sluttede med et pessimistisk syn, bemærker, at "en sådan model ikke er blevet etableret, og ingen er til syne."

I stedet for at blive modløs, Minchew tog denne udtalelse som en udfordring, og som en del af sit speciale begyndte han at lægge rammerne for en model til at beskrive de udløsende begivenheder for en glacial bølge.

Som han hurtigt indså, den håndfuld modeller, der eksisterede på det tidspunkt, var baseret på den antagelse, at de fleste gletsjere af bølgetypen lå oven på grundfjeldet - ru og uigennemtrængelige overflader, som modellerne antog, forblev uændrede, mens gletsjere strømmede henover. Men videnskabsmænd har siden observeret, at gletsjerbølger ofte ikke forekommer over fast klippe, men i stedet på tværs af skiftende sediment.

Minchews model simulerer en gletsjers bevægelse over et permeabelt lag af sediment, består af individuelle korn, hvis størrelse han kan justere i modellen for at studere både interaktionerne mellem kornene i sedimentet, og i sidste ende, gletsjerens bevægelse som reaktion.

Den nye model viser, at når en gletsjer bevæger sig med en normal hastighed hen over et sedimentbund, kornene i toppen af ​​sedimentlaget, i direkte kontakt med gletsjeren, slæbes med gletsjeren med samme hastighed, mens kornene mod midten bevæger sig langsommere, og dem nederst bliver siddende.

Denne lagdelte forskydning af korn skaber en forskydningseffekt i sedimentlaget. På mikroskala, modellen viser, at denne forskydning sker i form af individuelle sedimentkorn, der ruller op og over hinanden. Mens korn ruller op, over, og væk med gletsjeren, de åbner rum i det vandmættede sedimentlag, der udvider sig, giver lommer, hvor vandet kan sive ned i. Dette skaber et fald i vandtrykket, som virker til at styrke det sedimentære materiale som helhed, skaber en slags modstand mod sedimentets korn og gør det sværere for dem at rulle sammen med den bevægelige gletscher.

Imidlertid, som en gletsjer samler snefald, den tykner og dens overflade stejler, hvilket øger de forskydningskræfter, der virker på sedimentet. Efterhånden som sedimentet svækkes, gletsjeren begynder at flyde hurtigere og hurtigere.

"Jo hurtigere det flyder, jo mere gletsjeren tynder ud, og når du begynder at blive tynd, du mindsker belastningen til sedimentet, fordi du mindsker vægten af ​​isen. Så du bringer isens vægt tættere på sedimentets vandtryk. Og det ender med at svække sedimentet, " Minchew forklarer. "Når det sker, alt begynder at bryde løs, og du får en stigning."

Antarktis klipning

Som en test af deres model, forskerne sammenlignede forudsigelser af deres model med observationer af to gletsjere, der for nylig har oplevet stigninger, og fandt ud af, at modellen var i stand til at gengive strømningshastighederne for begge gletsjere med rimelig præcision.

For at forudsige hvilke gletsjere der vil stige og hvornår, forskerne siger, at forskerne bliver nødt til at vide noget om styrken af ​​det underliggende sediment, og især, størrelsesfordelingen af ​​sedimentets korn. Hvis disse målinger kan foretages af en bestemt gletsjers miljø, den nye model kan bruges til at forudsige, hvornår og hvor meget den gletscher vil stige.

Ud over glaciale bølger, Minchew håber, at den nye model vil hjælpe med at belyse mekanikken for isflow i andre systemer, såsom iskapperne i Vestantarktis.

"Det er inden for mulighedens område, at vi kunne få 1 til 3 meters havstigning fra Vestantarktis inden for vores levetid, "Siger Minchew. Denne type forskydningsmekanisme i glaciale bølger kan spille en stor rolle i at bestemme hastighederne for havniveaustigninger, du ville få fra Vestantarktis."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.