Cirka 10 procent av jordens landmassa är täckt av glaciärer, de flesta glider långsamt över landet under åren, snida fjordar och släpande floder i deras spår. Men ungefär 1 procent av glaciärerna kan plötsligt stiga, spilla över landet med 10 till 100 gånger sin normala hastighet.

När detta händer, en glacial våg kan sätta igång laviner, översvämningar av floder och sjöar, och överväldiga nedströms bosättningar. Vad som utlöser själva överspänningarna har varit en långvarig fråga inom glaciologiområdet.

Nu har forskare vid MIT och Dartmouth College utvecklat en modell som fastställer de förhållanden som skulle få en glaciär att stiga. Genom sin modell, forskarna finner att glaciärvågen drivs av förhållandena i det underliggande sedimentet, och specifikt av de små sedimentkornen som ligger under en höga glaciär.

"Det finns en enorm separation av skalor:Glaciärer är dessa enorma saker, och det visar sig att deras flöde, denna otroliga mängd fart, drivs på något sätt av korn av sediment i millimeterskala, säger Brent Minchew, Cecil och Ida Green biträdande professor vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Det är en svår sak att få huvudet runt. Och det är spännande att öppna upp hela den här nya undersökningslinjen som ingen egentligen hade tänkt på tidigare."

Den nya modellen för glaciärsvall kan också hjälpa forskare att bättre förstå beteendet hos större massor av rörlig is.

"Vi tänker på glaciärer som naturliga laboratorier, " säger Minchew. "För att de är så här extrema, övergående händelse, glaciala överspänningar ger oss detta fönster till hur andra system fungerar, som de snabbt strömmande strömmarna i Antarktis, vilka är de saker som betyder något för havsnivåhöjningen."

Minchew och hans medförfattare Colin Meyer från Dartmouth har publicerat sina resultat denna månad i tidskriften Proceedings of the Royal Society A .

En glaciär bryter loss

Medan han fortfarande var Ph.D. studerande, Minchew läste igenom "The Physics of Glaciers, "standardläroboken inom området glaciologi, när han stötte på en ganska dyster passage om utsikten att modellera en glaciärvåg. Passagen beskrev de grundläggande kraven för en sådan modell och avslutades med en pessimistisk syn, noterar att "en sådan modell inte har etablerats, och ingen syns."

Istället för att bli avskräckt, Minchew tog detta uttalande som en utmaning, och som en del av sin avhandling började han lägga ut ramarna för en modell för att beskriva de utlösande händelserna för en glaciärvåg.

Som han snabbt insåg, den handfull modeller som fanns på den tiden var baserade på antagandet att de flesta glaciärer av svalltyp låg ovanpå berggrunden - grova och ogenomträngliga ytor som modellerna antog förblev oförändrade när glaciärer strömmade över. Men forskare har sedan dess observerat att glaciala överspänningar ofta inte inträffar över fast berg, utan istället över skiftande sediment.

Minchews modell simulerar en glaciärs rörelse över ett permeabelt lager av sediment, består av individuella korn, vars storlek han kan justera i modellen för att studera båda kornens interaktioner i sedimentet, och slutligen, glaciärens rörelse som svar.

Den nya modellen visar att när en glaciär rör sig i normal hastighet över en sedimentbädd, kornen på toppen av sedimentlagret, i direkt kontakt med glaciären, släpas med glaciären i samma hastighet, medan kornen mot mitten rör sig långsammare, och de längst ner stannar kvar.

Denna skiktade förskjutning av korn skapar en skjuvningseffekt i sedimentlagret. I mikroskalan, modellen visar att denna skjuvning sker i form av enskilda sedimentkorn som rullar upp och över varandra. När korn rullar ihop, över, och bort med glaciären, de öppnar upp utrymmen i det vattenmättade sedimentlagret som expanderar, ger fickor för vattnet att sippra in i. Detta skapar en minskning av vattentrycket, som verkar för att stärka det sedimentära materialet som helhet, skapar ett slags motstånd mot sedimentets korn och gör det svårare för dem att rulla tillsammans med den rörliga glaciären.

Dock, när en glaciär samlar snöfall, den tjocknar och dess yta brantnar, vilket ökar skjuvkrafterna som verkar på sedimentet. När sedimentet försvagas, glaciären börjar rinna snabbare och snabbare.

"Ju snabbare det flyter, ju mer glaciären förtunnas, och när du börjar tunna, du minskar belastningen på sedimentet, eftersom du minskar vikten på isen. Så du för isens vikt närmare sedimentets vattentryck. Och det slutar med att sedimentet försvagas, " Minchew förklarar. "När det händer, allt börjar lossna, och du får en ökning."

Antarktis klippning

Som ett test av deras modell, forskarna jämförde förutsägelser av deras modell med observationer av två glaciärer som nyligen upplevt svallvågor, och fann att modellen kunde reproducera flödeshastigheterna för båda glaciärerna med rimlig precision.

För att förutsäga vilka glaciärer som kommer att stiga och när, forskarna säger att forskarna måste veta något om styrkan hos det underliggande sedimentet, och i synnerhet, storleksfördelningen av sedimentets korn. Om dessa mätningar kan göras av en viss glaciärs miljö, den nya modellen kan användas för att förutsäga när och med hur mycket den glaciären kommer att stiga.

Bortom glaciärsvängningar, Minchew hoppas att den nya modellen kommer att hjälpa till att belysa mekaniken för isflöde i andra system, som inlandsisen i Västantarktis.

"Det ligger inom möjligheten att vi kan få 1 till 3 meters havsnivåhöjning från Västantarktis under vår livstid, "Säger Minchew. Den här typen av skjuvningsmekanism i glaciala överspänningar kan spela en viktig roll för att bestämma hastigheten för havsnivåhöjningen du skulle få från Västantarktis."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.