Cómo los experimentos para simular las enormes fuerzas involucradas en el flujo glacial deforman la caja debajo de un anillo de hielo. Las cuentas se colocaron verticalmente en la caja:una mezcla de barro depositada por los glaciares, partículas de arena y roca, pero han sido movidas por el movimiento del hielo. Crédito:Lucas Zoet
Respaldado por datos experimentales de una máquina de laboratorio que simula las enormes fuerzas involucradas en el flujo de los glaciares, Los glaciólogos han escrito una ecuación que explica el movimiento del hielo que descansa sobre el blando, suelo deformable debajo de las partes inusualmente rápidas de las capas de hielo.
Esa ecuación, o "ley de deslizamiento", es una herramienta que los científicos pueden incluir en modelos informáticos del movimiento de los glaciares sobre los lechos de barro deformables. arena, guijarros rocas y cantos rodados debajo de glaciares como la capa de hielo de la Antártida occidental, dijo Neal Iverson, el líder del proyecto y profesor de ciencias geológicas y atmosféricas en la Universidad Estatal de Iowa. Los modelos que utilizan la nueva ley de deslizamiento podrían predecir mejor la rapidez con la que se deslizan los glaciares, cuánto hielo están enviando a los océanos y cómo eso afectaría el aumento del nivel del mar.
Un artículo publicado hoy en línea por la revista Ciencias describe la nueva ley de deslizamiento y los experimentos y datos que la motivan. Los autores son Lucas Zoet, investigador asociado postdoctoral en el estado de Iowa de 2012 a 2015 y ahora profesor asistente de geociencia en la Universidad de Wisconsin-Madison, e Iverson.
¿Por qué los glaciólogos necesitan una ley de deslizamiento?
"El colapso potencial de la capa de hielo de la Antártida occidental es la mayor fuente de incertidumbre en las estimaciones del aumento futuro del nivel del mar, y esta incertidumbre resulta, en parte, a partir de procesos de capas de hielo modelados de manera imperfecta, "Zoet e Iverson escribieron en su periódico.
Lucas Zoet con su dispositivo de corte de anillo en la Universidad de Wisconsin-Madison. Crédito:Ethan Parrish
Glaciar en congelador
Iverson inició experimentos con el dispositivo de cizalla de anillo de 9 pies de alto dentro del congelador de su laboratorio en 2009. En el centro del dispositivo hay un anillo de hielo de aproximadamente un metro de ancho y ocho pulgadas de espesor. Debajo del anillo hay una prensa hidráulica que puede aplicar hasta 100 toneladas de fuerza sobre el hielo y simular el peso de un glaciar de 800 pies de espesor. Sobre el anillo hay motores que pueden hacer girar el hielo a velocidades de 1 a 10, 000 pies por año.
El hielo está rodeado por una tina de fluido circulante que mantiene el anillo de hielo justo a su temperatura de fusión para que se deslice sobre una fina película de agua, como todos los glaciares de flujo rápido.
A $ 530, 000 subvención de la National Science Foundation apoyó el desarrollo del dispositivo. Iverson trabajó con tres ingenieros del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU.:Terry Herrman, Dan Jones y Jerry Musselman:para convertir sus ideas en una máquina de trabajo.
Y ha funcionado durante aproximadamente una década, proporcionando datos sobre cómo los glaciares se mueven sobre rocas rígidas y sedimentos deformables.
Neal Iverson con su dispositivo de corte de anillo, un glaciar en un congelador, en la Universidad Estatal de Iowa. Crédito:Christopher Gannon / Universidad Estatal de Iowa.
Un arrastre en el hielo
Para los experimentos que llevaron a la nueva ley de deslizamiento, Zoet condujo de Ames a Madison para llenar seis, Baldes de 5 galones con sedimento depositado glacialmente llamado hasta que tenía la mezcla correcta de lodo, arena y partículas de roca más grandes.
Lo metería en el dispositivo de cizalla de anillo para hacer la caja registradora. Luego construyó un anillo de hielo sobre él congelando capas de agua sembradas con cristales de hielo. Aplicaría fuerza sobre el hielo caliéntelo hasta que se derrita y encienda la máquina.
"Buscábamos la relación matemática entre el arrastre que retiene el hielo en el fondo del glaciar y la rapidez con la que se deslizaría el glaciar, "Dijo Iverson." Eso incluyó estudiar el efecto de la diferencia entre la presión del hielo en el lecho y la presión del agua en los poros de la caja, una variable llamada presión efectiva que controla la fricción ".
Los datos indicaron la relación entre "arrastrar, velocidad de deslizamiento y presión efectiva que se necesita para modelar el flujo del glaciar, "Dijo Iverson.
Esta foto captura lo que alguna vez fue la interfaz del lecho de hielo de un glaciar que desde entonces se ha derretido. El gran clast en la foto ha sido empujado por el glaciar ahora derretido a través del material del lecho en el que está encerrado. Este proceso se llama arado. Crédito:Lucas Zoet
"El hielo de glaciar es un fluido muy viscoso que se desliza sobre un sustrato, en este caso un lecho de labranza deformable, y la fricción en el lecho proporciona el arrastre que retiene el hielo. ", Dijo Iverson." En ausencia de fricción, el peso del hielo haría que se acelerara catastróficamente como algunos deslizamientos de tierra ".
Pero es casi imposible obtener datos de arrastre en el campo. Zoet dijo que el acto de perforar el hielo cambiaría la interfaz entre el glaciar y el lecho, haciendo que las mediciones y los datos sean menos precisos.
Entonces Iverson construyó su dispositivo de laboratorio para recopilar esos datos, y Zoet ha construido una versión un poco más pequeña para su laboratorio de Wisconsin. La máquina de Zoet cuenta con una cámara de muestra transparente para que los investigadores puedan ver más de lo que está sucediendo durante un experimento.
La ley de deslizamiento resultante basada en experimentos para los glaciares que se mueven sobre lechos blandos debería marcar una diferencia en las predicciones del movimiento de los glaciares y el aumento del nivel del mar:
"Modelos de capas de hielo que utilizan nuestra nueva relación de deslizamiento, "Iverson dijo, "tendería a predecir mayores descargas de hielo al océano, y mayores tasas de aumento del nivel del mar, que las leyes de deslizamiento que se utilizan actualmente en la mayoría de los modelos de capas de hielo".
