En glaciär rinner ut i en fjord på Grönlands sydvästra kust. En ny studie från MIT introducerar en modell som kartlägger glaciärens flöde baserat på mikroskopiska isdefekter, som erbjuder en nyanserad bild av glaciärens dynamik och förbättrar förutsägelser om havsnivåhöjningar genom att detaljera regionala variationer i isens känslighet för stress. Kredit: Meghana Ranganathan
MIT Forskare har utvecklat en ny modell för att förutsäga glaciärflödet genom att studera mikroskopiska defekter i is, vilket avslöjar betydande variationer i hur is reagerar på miljöpåfrestningar.
Denna modell hjälper till att bättre förutsäga hastigheten för havsnivåhöjningen genom att fånga de nyanserade beteendena hos inlandsisar, särskilt i Antarktis, vilket förbättrar förutsägelser om klimatdrivna havsnivåförändringar.
Glaciärflöde och havsnivåhöjning
När de smälter och kalvar i havet, höjer glaciärer och inlandsisar de globala vattennivåerna i oöverträffade takter. Forskare behöver en bättre förståelse för hur snabbt glaciärer smälter och vad som påverkar deras flöde för att förutsäga och förbereda sig för framtida havsnivåhöjning.
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.
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.
Ett isflöde genom dalar nära Ross Ice Shelf, Antarktis. Kredit: Meghana Ranganathan
Utmana konventionell visdom på isflöde
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 PhD ’22, som ledde studien som doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) och nu är postdoc vid Georgia Tech. ”Dessa mekanismer inträffar i skalan av vattenmolekyler och kan i slutändan påverka stabiliteten hos den västantarktiska istäcket.”
”I stort sett accelererar glaciärerna, och det finns många varianter kring det”, tillägger medförfattare och EAPS docent Brent Minchew. – Det här är den första studien som tar ett steg från laboratoriet till inlandsisen och börjar utvärdera vilken stabilitet isen har i den naturliga miljön. Det kommer i slutändan att mata in vår förståelse av sannolikheten för en katastrofal höjning av havsnivån.”
Ranganathan och Minchews studie publicerades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences.
Glaciärrörelser och havsnivåimplikationer
Glaciärflöde beskriver isens rörelse från toppen av en glaciär, eller mitten av ett inlandsis, ner till kanterna, där isen sedan bryter av och smälter ner i havet – en normalt långsam process som över tiden bidrar till att höja världens genomsnittliga havsnivå.
Under de senaste åren har haven stigit i oöverträffade takter, 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.
Att fastställa mikrofysiska processer för isflöde
”En del av det är ett skalningsproblem,” förklarar Ranganathan. ”Många av de grundläggande mekanismerna som får is att flöda sker i en väldigt liten skala som vi inte kan se. Vi ville slå fast exakt vad dessa mikrofysiska processer är som styr isflödet, vilket inte har representerats i modeller för havsnivåförändringar.”
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 gör att gränsen mellan dem 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.”
En ny modell för att förutsäga glaciärflöde
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 dislokationskryp 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 höjden på isen, storleken på iskristallerna och den omgivande temperaturen. 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.
Framtidsprognoser och klimatförändringseffekter
”När klimatförändringarna börjar förtunna glaciärerna, kan det påverka isens känslighet för stress”, säger Ranganathan. ”De instabiliteter som vi förväntar oss i Antarktis kan vara väldigt olika, och vi kan nu fånga dessa skillnader med den här modellen.”