PNAS: микроскопические дефекты льда влияют на течение массивных ледников

Таяние ледников и ледяных щитов, просачиваясь и опускаясь в море, приводит к беспрецедентному повышению уровня воды в мире. Чтобы предсказать и подготовиться к будущему повышению уровня моря, ученым необходимо лучше понять, как быстро тают ледники и что влияет на их течение.

Теперь исследование ученых Массачусетского технологического института предлагает новую картину течения ледников, основанную на микроскопических деформациях льда. Результаты показывают, что течение ледника сильно зависит от того, как микроскопические дефекты движутся сквозь лед. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследователи обнаружили, что они могут оценить поток ледника, основываясь на том, склонен ли лед к микроскопическим дефектам того или иного типа. Они использовали эту взаимосвязь между микро- и макромасштабной деформацией, чтобы разработать новую модель течения ледников. С помощью новой модели они нанесли на карту поток льда в различных местах Антарктического ледникового щита.

Они обнаружили, что вопреки общепринятому мнению, ледяной щит не является монолитом, а более разнообразен в том, где и как он течет в ответ на стрессы, вызванные потеплением. Исследование «кардинально меняет климатические условия, при которых морские ледниковые щиты могут стать нестабильными и привести к быстрому повышению уровня моря», пишут исследователи в своей статье.

«Это исследование действительно показывает влияние микромасштабных процессов на макромасштабное поведение», — говорит руководитель исследования Мегана Ранганатан из Массачусетского технологического института (EAPS). «Эти механизмы действуют на уровне молекул воды и в конечном итоге могут повлиять на стабильность Западно-Антарктического ледникового щита».

«Говоря в общих чертах, ледники ускоряются, и существует множество вариантов этого», — добавляет соавтор и доцент EAPS Брент Минчью. «Это первое исследование, которое делает шаг от лаборатории к ледяным щитам и начинает оценивать стабильность льда в естественной среде. Это в конечном итоге будет способствовать нашему пониманию вероятности катастрофического повышения уровня моря».

Ледниковый поток описывает движение льда от вершины ледника или центра ледникового щита вниз к краям, где лед затем отрывается и тает в океане — обычно медленный процесс, который со временем способствует повышению уровня ледникового покрова.

В последние годы уровень Мирового океана поднимался беспрецедентными темпами, что было вызвано глобальным потеплением и ускоренным таянием ледников и ледяных щитов. Известно, что потеря полярных льдов является основным фактором повышения уровня моря, но это также и самая большая неопределенность, когда дело доходит до прогнозов.

«Отчасти это проблема масштабирования», — объясняет Ранганатан. «Многие фундаментальные механизмы, вызывающие течение льда, происходят в действительно небольших масштабах, которые мы не можем видеть. Мы хотели точно определить, что представляют собой эти микрофизические процессы, управляющие течением льда, которые не были представлены в моделях изменение уровня моря».

Новое исследование команды основано на предыдущих экспериментах начала 2000-х годов, проведенных геологами из Университета Миннесоты, которые изучали, как маленькие кусочки льда деформируются при физическом напряжении и сжатии. Их работа выявила два микроскопических механизма, с помощью которых лед может течь: «ползучесть дислокаций», когда трещины размером с молекулу мигрируют сквозь лед, и «скольжение по границам зерен», когда отдельные кристаллы льда скользят друг по другу, вызывая перемещение границы между ними. сквозь лед.

Геологи обнаружили, что чувствительность льда к стрессу или вероятность его течения зависит от того, какой из двух механизмов является доминирующим. В частности, лед более чувствителен к напряжениям, когда микроскопические дефекты возникают в результате ползучести дислокаций, а не скольжения по границам зерен.

Ранганатан и Минчью поняли, что эти открытия на микроскопическом уровне могут по-новому определить, как течет лед в гораздо более крупных ледниковых масштабах.

«Современные модели повышения уровня моря предполагают одно значение чувствительности льда к стрессу и сохраняют это значение постоянным для всего ледникового покрова», — объясняет Ранганатан. «Эти эксперименты показали, что на самом деле существует значительная изменчивость чувствительности к льду, из-за которой задействован какой-либо из этих механизмов».

Для своего нового исследования команда Массачусетского технологического института учла выводы предыдущих экспериментов и разработала модель для оценки чувствительности ледяного региона к стрессу, которая напрямую связана с вероятностью течения льда. Модель принимает такую информацию, как температура окружающей среды, средний размер кристаллов льда и предполагаемая масса льда в регионе, и рассчитывает, насколько лед деформируется за счет ползучести дислокаций по сравнению с скольжением по границам зерен. В зависимости от того, какой из двух механизмов является доминирующим, модель затем оценивает чувствительность региона к стрессу.

Ученые ввели в модель фактические наблюдения из различных мест Антарктического ледникового щита, где другие ранее записывали такие данные, как локальная высота льда, размер ледяных кристаллов и температура окружающей среды. На основе оценок модели команда создала карту чувствительности льда к стрессу на Антарктическом ледниковом щите. Когда они сравнили эту карту со спутниковыми и полевыми измерениями ледникового щита с течением времени, они заметили близкое совпадение, предполагая, что модель можно использовать для точного прогнозирования того, как ледники и ледяные щиты будут течь в будущем.

«Поскольку изменение климата начинает истончать ледники, это может повлиять на чувствительность льда к стрессу», — говорит Ранганатан. «Нестабильность, которую мы ожидаем в Антарктиде, может быть очень разной, и теперь мы можем уловить эти различия, используя эту модель».