Neal Iverson begann mit zwei Lektionen in Eisphysik, als er gebeten wurde, eine Forschungsarbeit über den Gletschereisfluss zu beschreiben, die gerade in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaft.
Erstens, sagte der angesehene emeritierte Professor der Abteilung für Erde, Atmosphäre und Klima der Iowa State University, gibt es in Gletschern verschiedene Arten von Eis. Teile der Gletscher haben ihre Druckschmelztemperatur und sind weich und wässrig.
Dieses gemäßigte Eis sei wie ein Eiswürfel, der auf einer Küchenarbeitsplatte zurückgelassen wird und bei dem sich Schmelzwasser zwischen dem Eis und der Arbeitsplatte ansammelt, sagte er. Es war schwierig, gemäßigtes Eis zu untersuchen und zu charakterisieren.
Zweitens gibt es in anderen Teilen der Gletscher kaltes, hartes Eis, wie ein Eiswürfel, der sich noch im Gefrierschrank befindet. Dies ist die Art von Eis, die typischerweise untersucht und als Grundlage für Gletscherflussmodelle und -vorhersagen verwendet wird.
Die neue Forschungsarbeit mit dem Titel „Linear-viskoser Fluss von gemäßigtem Eis“ beschäftige sich mit Ersterem, sagte Iverson, Mitautor der Arbeit und Projektleiter.
Das Papier beschreibt Laborexperimente und die daraus resultierenden Daten, die einen Standardwert innerhalb der „empirischen Grundlage der Gletscherflussmodellierung“ nahelegen – einer Gleichung, die als Glens Flussgesetz bekannt ist und nach dem verstorbenen John W. Glen, einem britischen Eisphysiker, benannt ist gegen gemäßigtes Eis ausgetauscht werden.
Der neue Wert, wenn er im Strömungsgesetz verwendet wird, „wird tendenziell einen Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit vorhersagen, der als Reaktion auf erhöhte Belastungen, die durch das Schrumpfen der Eisdecke bei der Klimaerwärmung verursacht werden, viel geringer ausfällt“, sagte Iverson. Das würde bedeuten, dass die Modelle einen geringeren Gletscherfluss in die Ozeane zeigen und einen geringeren Anstieg des Meeresspiegels prognostizieren.
Ein dringender Bedarf, warmes Gletschereis zu berücksichtigen
Öffnen Sie den begehbaren Gefrierschrank in Iversons Campus-Labor und Sie sehen ein 9 Fuß hohes Ringschergerät, das seit 2009 Gletscherkräfte und -bewegungen simuliert. Es wurde mit einem Zuschuss von 530.000 US-Dollar von der National Science Foundation gebaut. Die aktuelle Studie wurde auch durch NSF-Zuschüsse unterstützt.
In der Mitte des Geräts befindet sich ein Eisring mit einem Durchmesser von etwa 3 Fuß und einer Dicke von 7 Zoll. Unter dem Ring befindet sich eine hydraulische Presse, die bis zu 100 Tonnen Kraft auf das Eis ausüben und das Gewicht eines 800 Fuß dicken Gletschers simulieren kann. Der Eisring ist von einer Wanne mit zirkulierender Flüssigkeit umgeben, die die Eistemperatur auf ein Hundertstel Grad genau reguliert. An einer Platte mit Greifern über dem Eisring befestigte Elektromotoren können das Eis mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10.000 Fuß pro Jahr drehen.
Für dieses Projekt modifizierten die Forscher das Gerät, indem sie einen weiteren Greifer an der Unterseite des Eisrings anbrachten, sodass die Drehung des oberen Greifers das darunter liegende Eis schert.
Collin Schohn, ein ehemaliger Masterstudent an der Iowa State, der jetzt Geologe bei der BBJ Group mit Sitz in Chicago ist und Erstautor der neuesten Forschungsarbeit der Gruppe, führte eine Reihe von sechs Experimenten mit dem modifizierten Gerät durch, wobei jedes Experiment etwa sechs dauerte Wochen. Die Experimente umfassten Messungen des flüssigen Wassergehalts des Eises, was seit den 1970er Jahren bei Experimenten dieser Art nicht mehr durchgeführt wurde.
„Bei diesen Experimenten wurde das Eis bei seinen Schmelztemperaturen und bei verschiedenen Belastungen verformt“, sagte Schohn.
Iverson verglich die Experimente damit, einen Bagel oben und unten zu greifen und dann die beiden Hälften zu drehen, um den Frischkäse in der Mitte zu verschmieren.
Die experimentellen Daten zeigten, dass sich Eis mit einer Geschwindigkeit verformte, die linear proportional zur Spannung war, sagte Iverson. Traditionelle Denkweisen gehen davon aus, dass Forscher erwarten, dass das Eis mit zunehmender Belastung weicher wird, so dass zunehmende Belastungen zu immer größeren Geschwindigkeitszuwächsen führen würden.
Warum ist das alles wichtig?
In der Nähe der Böden und Ränder der am schnellsten fließenden Teile der Eisdecke und in schnell fließenden Gebirgsgletschern herrscht gemäßigtes Eis. Beide Eisschichten werfen Eis in die Ozeane und beeinflussen den Meeresspiegel. „Der Bedarf, den Fluss warmen Gletschereises genau zu modellieren und vorherzusagen, ist daher dringend“, schreiben die Autoren.
Zurücksetzen N auf 1,0
Glens Strömungsgesetz lautet wie folgt: e ̇= ATN.
Die Gleichung bezieht sich auf die Spannung auf Eis, Tzu seiner Verformungsrate, e ̇Wo A ist eine Konstante für eine bestimmte Eistemperatur. Die Ergebnisse der neuen Experimente zeigen, dass der Wert des Spannungsexponenten, Nist 1,0 und nicht der normalerweise zugewiesene Wert von 3 oder 4.
Die Autoren schrieben: „Seit Generationen, basierend auf Glens ursprünglichen Experimenten und vielen nachfolgenden Experimenten, hauptsächlich auf kaltem Eis (-2 Grad C und kälter), ist der Wert des Spannungsexponenten N In Modellen wurde ein Wert von 3,0 angenommen.“ (Sie schrieben auch, dass andere Studien das „kalte Eis von Eisschilden“ untersucht hätten N noch höher, bei 4,0.)
Die Autoren schrieben: „Für geNBerechnungen, basierend auf Glens ursprünglichen Experimenten und vielen nachfolgenden Experimenten, hauptsächlich auf kaltem Eis (-2 Grad C und kälter), den Wert des Spannungsexponenten N In Modellen wurde ein Wert von 3,0 angenommen.“ (Sie schrieben auch, dass andere Studien das „kalte Eis von Eisschilden“ untersucht hätten N noch höher, bei 4,0.)
Das lag zum Teil daran, „dass Experimente mit Eis bei Druckschmelztemperatur eine Herausforderung darstellen“, sagte Lucas Zoet, Co-Autor des Artikels, ehemaliger Postdoktorand an der Iowa State University und außerordentlicher Professor für Geowissenschaften am Dean L. Morgridge der University of Wisconsin-Madison. Zoet, einer der Co-Betreuer des Projekts, hat für sein Labor eine etwas kleinere Version des Ringschergeräts mit transparenten Wänden gebaut.
Daten aus den groß angelegten Scherverformungsexperimenten in Iversons Labor warfen jedoch Fragen zum zugewiesenen Wert auf N. Gemäßigtes Eis ist linear-viskos (N = 1,0) „über übliche Bereiche des flüssigen Wassergehalts und der Belastung, die in der Nähe von Gletscherbetten und an den Rändern von Eisflüssen erwartet werden“, schrieben die Autoren.
Sie schlugen vor, dass die Ursache im Schmelzen und Wiedergefrieren entlang der Grenzen einzelner, millimeter- bis zentimetergroßer Eiskörner liegt, was mit Geschwindigkeiten erfolgen sollte, die linear proportional zur Spannung sind.
Diese neuen Daten ermöglichen es Modellierern, „ihre Eisschildmodelle auf im Labor nachgewiesenen physikalischen Zusammenhängen zu stützen“, sagte Zoet. „Die Verbesserung dieses Verständnisses verbessert die Genauigkeit von Vorhersagen.“
Es bedurfte einiger Ausdauer, um die Daten zu erhalten, die den neuen Wert von unterstützen N.
„Wir haben jahrelang an diesem Projekt herumgekämpft“, sagte Schohn. „Es war wirklich schwer, das zum Laufen zu bringen.“
Am Ende sagte Iverson: „Angesichts aller Misserfolge und Entwicklungen handelte es sich um einen Prozess, der sich über zehn Jahre hinzog.“
Ein langer Prozess, so die Forscher, sei für genauere Modelle des gemäßigten Gletschereises und bessere Vorhersagen des Gletscherflusses und des Meeresspiegelanstiegs unerlässlich.
