Lagarna för hur granulära material flyter gäller även vid jätten, geofysisk skala av isberg som hopar sig i havet vid utloppet av en glaciär, forskare har visat.

De Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) publicerade resultaten, som beskriver dynamiken i isbergen – känd som en isblandning – framför Grönlands Jakobshavnglaciär. Den snabbrörliga glaciären anses vara ett klockslag för effekterna av klimatförändringar.

"Vi har kopplat samman mikroskopiska teorier för mekaniken för granulatflöde med världens största granulära material - en glacial isblandning, säger Justin Burton, en biträdande professor i fysik vid Emory University och huvudförfattare till uppsatsen. "Våra resultat kan hjälpa forskare som försöker förstå den framtida utvecklingen av Grönlands och Antarktis inlandsisar. Vi har visat att en isblandning potentiellt kan ha en stor och mätbar effekt på produktionen av stora isberg av en glaciär."

National Science Foundation finansierade forskningen, som samlade fysiker som studerar den grundläggande mekaniken hos granulära material i laboratorier och glaciologer som tillbringar sina somrar med att utforska polarisar.

"Glaciologer hanterar i allmänhet långsamma, stadig deformation av isis, som beter sig som tjock melass - ett trögflytande material som kryper mot havet, " säger medförfattaren Jason Amundson, en glaciolog vid University of Alaska Southeast, Juneau. "Isblandning, å andra sidan, är i grunden ett granulärt material - i huvudsak ett jätteslam - som styrs av olika fysik. Vi ville förstå beteendet hos ismélange och dess effekter på glaciärer."

I tusentals år, de massiva glaciärerna i jordens polarområden har förblivit relativt stabila, isen låste sig i bergiga former som ebbade ut under varmare månader men fick tillbaka sin bulk på vintern. Under de senaste decennierna, dock, varmare temperaturer har snabbt börjat tina dessa frusna jättar. Det blir allt vanligare att isplattor – ungefär en kilometer höga – skiftar, spricka och ramla i havet, splittras från sina moderglaciärer i en explosiv process som kallas kalvning.

Jakobshavns glaciär avancerar så fort som 50 meter per dag tills den når havets kant, en punkt som kallas glaciärterminalen. Omkring 35 miljarder ton isberg kalvar från Jakobshavns glaciär varje år, rinner ut i Grönlands Ilulissat-fjord, en stenig kanal som är cirka fem kilometer bred. Kalvningsprocessen skapar en tumlande blandning av isberg som långsamt trycks genom fjorden av glaciärens rörelse. Isblandningen kan sträcka sig hundratals meter djupt ner i vattnet men på ytan liknar den ett snöklumpigt fält som hämmar, men kan inte sluta, glaciärens rörelse.

"En isblandning är ungefär som skärselden för isberg, eftersom de har brutit ut i vattnet men de har ännu inte tagit sig ut till öppet hav, " säger Burton.

Medan forskare länge har studerat hur is bildas, bryter och flyter inom en glaciär, ingen hade kvantifierat det granulära flödet av en isblandning. Det var en oemotståndlig utmaning för Burton. Hans labb skapar experimentella modeller av glaciala processer för att försöka kvantifiera deras fysiska krafter. Den använder också mikroskopiska partiklar som en modell för att förstå den grundläggande mekaniken hos granulära, amorfa material, och gränsen mellan ett fritt flytande tillstånd och ett stel, en fastklämd.

"Granulärt material finns överallt, från pulvret som utgör läkemedel till sanden, smuts och stenar som formar vår jord, " säger Burton. Och ändå, han lägger till, egenskaperna hos dessa amorfa material är inte lika välkända som för vätskor eller kristaller.

Förutom Amundson, Burtons medförfattare på PNAS-tidningen inkluderar glaciologen Ryan Cassotto - tidigare vid University of New Hampshire och nu med University of Colorado Boulder - och fysikerna Chin-Chang Kuo och Michael Dennin, från University of California, Irvine.

Forskarna karakteriserade både flödet och den mekaniska spänningen i Jacobshavns isblandning med hjälp av fältmätningar, satellitdata, labbexperiment och numerisk modellering. Resultaten beskriver kvantitativt flödet av isblandningen när den fastnar och lossar under sin resa genom fjorden. Tidningen visade också hur isblandningen kan fungera som en "granulär ishylla" i sitt fastnade tillstånd, stötta även de största isbergen som kalvats ner i havet.

"Vi har visat att glaciologer som modellerar beteendet hos ishyllor med ismelanger bör ta hänsyn till krafterna hos dessa melanger, " säger Burton. "Vi har försett dem med de kvantitativa verktygen för att göra det."