Circa il 10% della massa terrestre della Terra è ricoperta di ghiacciai, la maggior parte dei quali scivola lentamente attraverso la terra nel corso degli anni, intagliando fiordi e trascinando fiumi sulla loro scia. Ma circa l'1% dei ghiacciai può aumentare improvvisamente, riversandosi sul terreno da 10 a 100 volte la loro velocità normale.

Quando questo accade, un'onda glaciale può provocare valanghe, inondare fiumi e laghi, e sopraffare gli insediamenti a valle. Ciò che fa scattare le ondate stesse è stata una domanda di vecchia data nel campo della glaciologia.

Ora gli scienziati del MIT e del Dartmouth College hanno sviluppato un modello che definisce le condizioni che farebbero scattare un ghiacciaio. Attraverso il loro modello, i ricercatori scoprono che l'ondata glaciale è guidata dalle condizioni del sedimento sottostante, e in particolare dai minuscoli granelli di sedimento che giacciono sotto un imponente ghiacciaio.

"C'è un'enorme separazione di scale:i ghiacciai sono queste cose enormi, e si scopre che il loro flusso, questa incredibile quantità di slancio, è in qualche modo guidato da granelli di sedimento su scala millimetrica, "dice Brent Minchew, il Cecil e Ida Green Assistant Professor nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze dell'atmosfera e planetarie. "È una cosa difficile da capire. Ed è eccitante aprire questa nuova linea di indagine che nessuno aveva mai considerato prima".

Il nuovo modello di ondata glaciale può anche aiutare gli scienziati a comprendere meglio il comportamento di grandi masse di ghiaccio in movimento.

"Pensiamo alle ondate glaciali come laboratori naturali, " dice Minchew. "Perché sono così estremi, evento transitorio, le ondate glaciali ci danno questa finestra su come funzionano gli altri sistemi, come i torrenti impetuosi in Antartide, quali sono le cose che contano per l'innalzamento del livello del mare."

Minchew e il suo coautore Colin Meyer di Dartmouth hanno pubblicato i loro risultati questo mese sulla rivista Atti della Royal Society A .

Si scatena un ghiacciaio

Mentre era ancora un Ph.D. alunno, Minchew stava leggendo "La fisica dei ghiacciai, " il libro di testo standard nel campo della glaciologia, quando si imbatté in un passaggio piuttosto squallido sulla prospettiva di modellare un'onda glaciale. Il passaggio ha delineato i requisiti di base di un tale modello e si è chiuso con una prospettiva pessimistica, rilevando che "un tale modello non è stato istituito, e nessuno è in vista."

Piuttosto che scoraggiarsi, Minchew ha preso questa affermazione come una sfida, e come parte della sua tesi iniziò a tracciare la struttura per un modello per descrivere gli eventi scatenanti per un'ondata glaciale.

Come si rese subito conto, la manciata di modelli che esistevano all'epoca si basavano sul presupposto che la maggior parte dei ghiacciai di tipo surge si trovasse su un substrato roccioso, superfici ruvide e impermeabili che i modelli presumevano rimanessero invariate mentre i ghiacciai scorrevano. Ma da allora gli scienziati hanno osservato che le ondate glaciali spesso non si verificano su roccia solida, ma invece attraverso sedimenti in movimento.

Il modello di Minchew simula il movimento di un ghiacciaio su uno strato permeabile di sedimenti, composto da singoli grani, la cui dimensione può regolare nel modello per studiare sia le interazioni dei grani all'interno del sedimento, e alla fine, il movimento del ghiacciaio in risposta.

Il nuovo modello mostra che quando un ghiacciaio si muove a una velocità normale attraverso un letto di sedimenti, i grani nella parte superiore dello strato di sedimento, a diretto contatto con il ghiacciaio, vengono trascinati insieme al ghiacciaio alla stessa velocità, mentre i grani verso il centro si muovono più lentamente, e quelli in fondo restano fermi.

Questo spostamento stratificato dei grani crea un effetto di taglio all'interno dello strato di sedimento. Alla microscala, il modello mostra che questo taglio avviene sotto forma di singoli granelli di sedimento che si arrotolano e si sovrappongono l'uno all'altro. Mentre i grani si arrotolano, terminato, e via col ghiacciaio, aprono spazi all'interno dello strato di sedimenti saturi d'acqua che si espandono, fornendo tasche in cui l'acqua può infiltrarsi. Questo crea una diminuzione della pressione dell'acqua, che agisce per rafforzare il materiale sedimentario nel suo insieme, creando una sorta di resistenza contro i grani del sedimento e rendendo loro più difficile il rotolamento insieme al ghiacciaio in movimento.

Però, come un ghiacciaio accumula nevicate, si addensa e la sua superficie s'irrigidisce, che aumenta le forze di taglio che agiscono sul sedimento. Quando il sedimento si indebolisce, il ghiacciaio inizia a scorrere sempre più velocemente.

"Più veloce scorre, più il ghiacciaio si assottiglia, e quando inizi a dimagrire, stai diminuendo il carico sul sedimento, perché stai diminuendo il peso del ghiaccio. Quindi stai avvicinando il peso del ghiaccio alla pressione dell'acqua del sedimento. E questo finisce per indebolire il sedimento, " spiega Minchew. "Una volta che ciò accade, tutto inizia a sciogliersi, e ottieni un'impennata".

taglio antartico

Come test del loro modello, i ricercatori hanno confrontato le previsioni del loro modello con le osservazioni di due ghiacciai che di recente hanno subito picchi, e ha scoperto che il modello era in grado di riprodurre le portate di entrambi i ghiacciai con ragionevole precisione.

Per prevedere quali ghiacciai sorgeranno e quando, i ricercatori dicono che gli scienziati dovranno sapere qualcosa sulla forza del sedimento sottostante, e in particolare, la distribuzione dimensionale dei grani del sedimento. Se queste misurazioni possono essere fatte dell'ambiente di un particolare ghiacciaio, il nuovo modello può essere utilizzato per prevedere quando e di quanto si gonfierà il ghiacciaio.

Al di là delle ondate glaciali, Minchew spera che il nuovo modello aiuterà a illuminare la meccanica del flusso di ghiaccio in altri sistemi, come le calotte glaciali dell'Antartide occidentale.

"È nel regno della possibilità che potremmo ottenere da 1 a 3 metri di innalzamento del livello del mare dall'Antartide occidentale entro le nostre vite, "Dice Minchew. Questo tipo di meccanismo di taglio nelle ondate glaciali potrebbe svolgere un ruolo importante nel determinare i tassi di innalzamento del livello del mare che otterresti dall'Antartide occidentale".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.