Hur experiment för att simulera de enorma krafterna som är involverade i glacial flöde deformerar moränen under en ring av is. Pärlorna placerades vertikalt i moränen - en glacialt avsatt blandning av lera, sand och stenpartiklar -- men har flyttats av isens rörelse. Kredit:Lucas Zoet
Uppbackad av experimentella data från en laboratoriemaskin som simulerar de enorma krafterna som är involverade i glaciärflödet, glaciologer har skrivit en ekvation som redogör för rörelsen av is som vilar på det mjuka, deformerbar mark under ovanligt snabbt rörliga delar av inlandsisar.
Den ekvationen - eller "halklagen" - är ett verktyg som forskare kan inkludera i datormodeller av glaciärrörelser över de deformerbara bäddarna av lera, sand, småsten, stenar och stenblock under glaciärer som den västantarktiska istäcket, sa Neal Iverson, projektledaren och en professor i geologiska och atmosfäriska vetenskaper vid Iowa State University. Modeller som använder den nya glidlagen kan bättre förutsäga hur snabbt glaciärer glider, hur mycket is de skickar till haven och hur det skulle påverka havsnivåhöjningen.
En tidning publicerad online idag av tidskriften Vetenskap beskriver den nya glidlagen och de experiment och data som motiverar den. Författare är Lucas Zoet, en postdoktorand forskningsassistent vid Iowa State från 2012 till 2015 och nu biträdande professor i geovetenskap vid University of Wisconsin-Madison, och Iverson.
Varför behöver glaciologer en halklag?
"Den potentiella kollapsen av det västantarktiska inlandsisen är den enskilt största källan till osäkerhet i uppskattningar av framtida havsnivåhöjning, och denna osäkerhet resulterar, till viss del, från ofullständigt modellerade inlandsprocesser, " skrev Zoet och Iverson i sin tidning.
Lucas Zoet med sin ringklippningsenhet vid University of Wisconsin-Madison. Kredit:Ethan Parrish
Glaciär-i-frys
Iverson startade experiment med den 9 fot höga ringskjuvningsanordningen inuti laboratoriets ingångsfrys 2009. I mitten av enheten finns en isring cirka tre fot i diameter och åtta tum tjock. Under ringen finns en hydraulisk press som kan lägga så mycket som 100 ton kraft på isen och simulera vikten av en 800 fot tjock glaciär. Ovanför ringen finns motorer som kan rotera isen med hastigheter på 1 till 10, 000 fot per år.
Isen är omgiven av en balja med temperaturkontrollerad, cirkulerande vätska som håller isringen rätt vid sin smälttemperatur så att den glider på en tunn hinna av vatten – precis som alla snabbflytande glaciärer.
530 USD, 000 anslag från National Science Foundation stödde utvecklingen av enheten. Iverson arbetade med tre ingenjörer från det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory—Terry Herrman, Dan Jones och Jerry Musselman – för att förvandla sina idéer till en fungerande maskin.
Och det har fungerat i ungefär ett decennium, tillhandahåller data om hur glaciärer rör sig över styv sten och deformerbart sediment.
Neal Iverson med sin ringklippare, en glaciär-i-frys, vid Iowa State University. Kredit:Christopher Gannon/Iowa State University.
Ett drag på isen
För experimenten som ledde till den nya glidlagen, Zoet körde från Ames till Madison för att fylla sex, 5-liters hinkar med riktiga, glacialt avsatt sediment kallat till som hade rätt blandning av lera, sand och större stenpartiklar.
Han skulle ösa in det i ringklippningsanordningen för att bädda till sängen. Han skulle sedan konstruera en isring ovanför den genom att frysa lager av vatten med iskristaller. Han skulle utöva våld på isen, värm den tills den smälte och sätt på maskinen.
"Vi letade efter det matematiska förhållandet mellan draget som håller isen tillbaka på botten av glaciären och hur snabbt glaciären skulle glida, ", sa Iverson. "Det inkluderar att studera effekten av skillnaden mellan istrycket på bädden och vattentrycket i moränens porer - en variabel som kallas det effektiva trycket som kontrollerar friktionen."
Uppgifterna indikerade förhållandet mellan "dra, glidhastighet och effektivt tryck som behövs för att modellera glaciärflödet, " sa Iverson.
Det här fotot fångar det som en gång var isbäddens gränssnitt för en glaciär som sedan har smält. Den stora klacken på bilden har tryckts av den nu smälta glaciären genom bäddmaterialet som den är innesluten i. Denna process kallas plöjning. Kredit:Lucas Zoet
"Glacieris är en mycket viskös vätska som glider över ett substrat - i det här fallet en deformerbar bottenbädd - och friktion vid bädden ger det motstånd som håller isen tillbaka, " sa Iverson. "I frånvaro av friktion, tyngden av isen skulle få den att accelerera katastrofalt som vissa jordskred."
Men det är nästan omöjligt att få dragdata i fält. Zoet sa att handlingen att borra genom isen skulle förändra gränssnittet mellan glaciären och bädden, gör mätningar och data mindre exakta.
Så Iverson byggde sin laboratorieenhet för att samla in dessa data, och Zoet har byggt en något mindre version för sitt laboratorium i Wisconsin. Zoets maskin har en genomskinlig provkammare så att forskare kan se mer av vad som händer under ett experiment.
Den resulterande experimentellt baserade glidlagen för glaciärer som rör sig över mjuka bäddar borde göra skillnad i förutsägelser om glaciärrörelser och havsnivåhöjning:
"Islandskapsmodeller som använder vårt nya slipförhållande, " Iverson sa, "skulle tendera att förutsäga högre isutsläpp till havet - och högre hastigheter för havsnivåhöjningar - än halklagar som för närvarande används i de flesta inlandsismodeller."
