Come gli esperimenti per simulare le enormi forze coinvolte nel flusso glaciale deformano la cassa sotto un anello di ghiaccio. Le perle sono state poste verticalmente nella cassa - un miscuglio di fango depositato glacialmente, particelle di sabbia e roccia, ma sono state mosse dal movimento del ghiaccio. Credito:Lucas Zoet
Supportato da dati sperimentali di una macchina da laboratorio che simula le enormi forze coinvolte nel flusso dei ghiacciai, i glaciologi hanno scritto un'equazione che spiega il movimento del ghiaccio che poggia sul morbido, terreno deformabile sotto parti insolitamente veloci di calotte glaciali.
Quell'equazione - o "legge dello slittamento" - è uno strumento che gli scienziati possono includere nei modelli computerizzati del movimento dei ghiacciai sui letti di fango deformabili, sabbia, ciottoli, rocce e massi sotto ghiacciai come la calotta glaciale dell'Antartico occidentale, disse Neal Iverson, il leader del progetto e professore di scienze geologiche e atmosferiche presso la Iowa State University. I modelli che utilizzano la nuova legge di scorrimento potrebbero prevedere meglio la velocità di scorrimento dei ghiacciai, quanto ghiaccio stanno inviando agli oceani e come ciò influenzerebbe l'innalzamento del livello del mare.
Un paper pubblicato oggi online dalla rivista Scienza descrive la nuova legge di scorrimento e gli esperimenti e i dati che la motivano. Gli autori sono Lucas Zoet, un ricercatore associato post-dottorato presso Iowa State dal 2012 al 2015 e ora un assistente professore di geoscienze presso l'Università del Wisconsin-Madison, e Iverson.
Perché i glaciologi hanno bisogno di una legge di slittamento?
"Il potenziale crollo della calotta glaciale dell'Antartide occidentale è la più grande fonte di incertezza nelle stime del futuro innalzamento del livello del mare, e questa incertezza risulta, in parte, da processi di lastre di ghiaccio modellati in modo imperfetto, " Zoet e Iverson hanno scritto nel loro articolo.
Lucas Zoet con il suo dispositivo di taglio ad anello all'Università del Wisconsin-Madison. Credito:Ethan Parrish
Ghiacciaio-in-congelatore
Iverson ha iniziato gli esperimenti con il dispositivo di taglio ad anello alto 9 piedi all'interno del congelatore walk-in del suo laboratorio nel 2009. Al centro del dispositivo c'è un anello di ghiaccio di circa tre piedi di diametro e otto pollici di spessore. Sotto l'anello c'è una pressa idraulica che può esercitare fino a 100 tonnellate di forza sul ghiaccio e simulare il peso di un ghiacciaio spesso 800 piedi. Sopra l'anello ci sono motori che possono far ruotare il ghiaccio a velocità da 1 a 10, 000 piedi all'anno.
Il ghiaccio è circondato da una vasca di acqua a temperatura controllata, fluido circolante che mantiene l'anello di ghiaccio alla sua temperatura di fusione in modo che scivoli su una sottile pellicola d'acqua, proprio come tutti i ghiacciai a flusso rapido.
$ 530, La sovvenzione di 000 dalla National Science Foundation ha sostenuto lo sviluppo del dispositivo. Iverson ha lavorato con tre ingegneri del Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti:Terry Herrman, Dan Jones e Jerry Musselman, per trasformare le sue idee in una macchina funzionante.
E ha funzionato per circa un decennio, fornendo dati su come i ghiacciai si muovono su rocce rigide e sedimenti deformabili.
Neal Iverson con il suo dispositivo di taglio ad anello, un ghiacciaio nel congelatore, alla Iowa State University. Credito:Christopher Gannon/Iowa State University.
Un tiro sul ghiaccio
Per gli esperimenti che hanno portato alla nuova legge slip, Zoet ha guidato da Ames a Madison per riempirne sei, Secchi da 5 galloni con reale, sedimento depositato glacialmente chiamato till che aveva la giusta miscela di fango, sabbia e particelle di roccia più grandi.
L'avrebbe raccolto nel dispositivo di taglio ad anello per fare il letto della cassa. Quindi avrebbe costruito un anello di ghiaccio sopra di esso congelando strati d'acqua seminati con cristalli di ghiaccio. Avrebbe applicato la forza sul ghiaccio, scaldarlo finché non si sarà sciolto e accendere la macchina.
"Cercavamo la relazione matematica tra la resistenza che trattiene il ghiaccio sul fondo del ghiacciaio e la velocità con cui il ghiacciaio sarebbe scivolato, " Ha detto Iverson. "Ciò includeva lo studio dell'effetto della differenza tra la pressione del ghiaccio sul letto e la pressione dell'acqua nei pori della cassa, una variabile chiamata pressione effettiva che controlla l'attrito".
I dati indicavano la relazione tra "drag, velocità di scorrimento e pressione effettiva necessarie per modellare il flusso del ghiacciaio, " ha detto Iverson.
Questa foto cattura quella che una volta era l'interfaccia del letto di ghiaccio di un ghiacciaio che da allora si è sciolto. Il grande clasto nella foto è stato spinto dal ghiacciaio ormai fuso attraverso il materiale del letto in cui è racchiuso. Questo processo è chiamato aratura. Credito:Lucas Zoet
"Il ghiaccio del ghiacciaio è un fluido altamente viscoso che scivola su un substrato, in questo caso un letto deformabile, e l'attrito sul letto fornisce la resistenza che trattiene il ghiaccio, " ha detto Iverson. "In assenza di attrito, il peso del ghiaccio lo farebbe accelerare catastroficamente come alcune frane".
Ma è quasi impossibile ottenere dati di trascinamento sul campo. Zoet ha detto che l'atto di perforare il ghiaccio cambierà l'interfaccia tra il ghiacciaio e il letto, rendendo misurazioni e dati meno accurati.
Quindi Iverson ha costruito il suo dispositivo di laboratorio per raccogliere quei dati, e Zoet ha costruito una versione leggermente più piccola per il suo laboratorio del Wisconsin. La macchina di Zoet è dotata di una camera di campionamento trasparente in modo che i ricercatori possano vedere di più su ciò che sta accadendo durante un esperimento.
La risultante legge di scorrimento basata sperimentalmente per i ghiacciai che si spostano su letti soffici dovrebbe fare la differenza nelle previsioni del movimento dei ghiacciai e dell'innalzamento del livello del mare:
"Modelli di lastre di ghiaccio che utilizzano la nostra nuova relazione slip, "Iverson ha detto, "tenderebbe a prevedere scarichi di ghiaccio più elevati nell'oceano e tassi più elevati di innalzamento del livello del mare rispetto alle leggi di scorrimento attualmente utilizzate nella maggior parte dei modelli di calotta glaciale".
