När de sipprar och kalvar ner i havet, höjer smältande glaciärer och inlandsisar de globala vattennivåerna i oöverträffade takter. För att förutsäga och förbereda sig för framtida havsnivåhöjning behöver forskare en bättre förståelse för hur snabbt glaciärer smälter och vad som påverkar deras flöde.
Nu ger en studie av MIT-forskare en ny bild av glaciärens flöde, baserad på mikroskopisk deformation i isen. Resultaten visar att en glaciärs flöde starkt beror på hur mikroskopiska defekter rör sig genom isen.
Verket publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
Forskarna fann att de kunde uppskatta en glaciärs flöde baserat på om isen är utsatt för mikroskopiska defekter av ett slag kontra ett annat. De använde detta förhållande mellan mikro- och makroskala deformation för att utveckla en ny modell för hur glaciärer flyter. Med den nya modellen kartlade de flödet av is på platser över Antarktis istäcke.
I motsats till konventionell visdom, fann de, är inlandsisen inte en monolit utan är istället mer varierad i var och hur den flyter som svar på uppvärmningsdrivna påfrestningar. Studien "dramatiskt förändrar klimatförhållandena under vilka marina inlandsisar kan bli instabila och driva snabba havsnivåhöjningar", skriver forskarna i sin artikel.
"Den här studien visar verkligen effekten av mikroskala processer på beteende i makroskala", säger Meghana Ranganathan, Ph.D., som ledde studien som doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) och nu är postdoc. på Georgia Tech. "Dessa mekanismer sker i skalan av vattenmolekyler och kan i slutändan påverka stabiliteten hos den västantarktiska istäcket."
"I stort sett accelererar glaciärer, och det finns många varianter kring det", tillägger medförfattare och EAPS docent Brent Minchew. "Detta är den första studien som tar ett steg från laboratoriet till inlandsisen och börjar utvärdera vilken stabilitet isen är i den naturliga miljön. Det kommer i slutändan att mata in vår förståelse av sannolikheten för en katastrofal havsnivåhöjning."
Glaciärflöde beskriver isens rörelse från toppen av en glaciär, eller mitten av en inlandsis, ner till kanterna, där isen sedan bryter av och smälter ner i havet – en normalt långsam process som med tiden bidrar till att höja världens genomsnittliga havsnivå.
Under de senaste åren har haven stigit i oöverträffad takt, drivet av den globala uppvärmningen och den accelererade avsmältningen av glaciärer och inlandsisar. Även om förlusten av polaris är känd för att vara en stor bidragande orsak till havsnivåhöjningen, är det också den största osäkerheten när det gäller att göra förutsägelser.
"En del av det är ett skalningsproblem," förklarar Ranganathan. "Många av de grundläggande mekanismerna som får is att flöda händer i en väldigt liten skala som vi inte kan se. Vi ville slå fast exakt vilka dessa mikrofysiska processer är som styr isflödet, vilket inte har representerats i modeller av havsnivåförändring."
Teamets nya studie bygger på tidigare experiment från tidigt 2000-tal av geologer vid University of Minnesota, som studerade hur små isbitar deformeras när de blir fysiskt stressade och komprimerade. Deras arbete avslöjade två mikroskopiska mekanismer genom vilka is kan flöda:"dislokationskrypning", där molekylstora sprickor migrerar genom isen, och "korngränsglidning", där enskilda iskristaller glider mot varandra, vilket får gränsen mellan dem att flyttas. genom isen.
Geologerna fann att isens känslighet för stress, eller hur sannolikt den är att flyta, beror på vilken av de två mekanismerna som är dominerande. Specifikt är isen mer känslig för stress när mikroskopiska defekter uppstår via dislokationskrypning snarare än att korngränsen glider.
Ranganathan och Minchew insåg att dessa fynd på mikroskopisk nivå kunde omdefiniera hur is flyter på mycket större glaciala skalor.
"Nuvarande modeller för havsnivåhöjning antar ett enda värde för isens känslighet för stress och håller detta värde konstant över ett helt inlandsis," förklarar Ranganathan. "Vad dessa experiment visade var att det faktiskt finns en hel del variation i iskänslighet, beroende på vilken av dessa mekanismer som spelar."
För sin nya studie tog MIT-teamet insikter från de tidigare experimenten och utvecklade en modell för att uppskatta en isig regions känslighet för stress, vilket direkt relaterar till hur sannolikt att isen är att flöda. Modellen tar in information som omgivningstemperatur, medelstorleken på iskristaller och den uppskattade massan av is i regionen, och beräknar hur mycket isen deformeras av dislokationskrypning kontra korngränsens glidning. Beroende på vilken av de två mekanismerna som är dominerande uppskattar modellen sedan regionens känslighet för stress.
Forskarna matade in i modellen faktiska observationer från olika platser över det antarktiska inlandsisen, där andra tidigare hade registrerat data som den lokala ishöjden, storleken på iskristaller och omgivningstemperaturen. Baserat på modellens uppskattningar genererade teamet en karta över isens känslighet för stress över det antarktiska inlandsisen. När de jämförde den här kartan med satellit- och fältmätningar som tagits av inlandsisen över tid, observerade de en nära matchning, vilket tyder på att modellen skulle kunna användas för att exakt förutsäga hur glaciärer och inlandsisar kommer att flyta i framtiden.
"När klimatförändringarna börjar förtunna glaciärerna, kan det påverka isens känslighet för stress", säger Ranganathan. "Den instabilitet som vi förväntar oss i Antarktis kan vara mycket annorlunda, och vi kan nu fånga dessa skillnader med den här modellen."
Mer information: Meghana Ranganathan et al, En modifierad viskös flödeslag för naturlig glaciäris:skalning från laboratorier till inlandsisar, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2309788121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
