Neil Iverson comenzó con dos lecciones de física del hielo cuando le pidieron que describiera un artículo de investigación sobre el flujo de hielo de los glaciares que acababa de publicarse en la revista Ciencia.
En primer lugar, el profesor emérito del Departamento de Tierra, Atmósfera y Clima de la Universidad Estatal de Iowa dijo que existen diferentes tipos de hielo dentro de los glaciares. Algunas partes de los glaciares están a su temperatura de fusión a presión y son blandas y acuosas.
Dijo que la nieve moderada es como un cubo de hielo dejado en la encimera de la cocina, con agua derretida acumulada entre el hielo y la encimera. El hielo templado ha sido difícil de estudiar y caracterizar.
En segundo lugar, otras partes de los glaciares contienen hielo duro y frío, como un cubito de hielo en un congelador. Este es el tipo de hielo más comúnmente estudiado y utilizado como base para modelos y predicciones de flujo de glaciares.
Iverson, coautor del artículo y supervisor del proyecto, dijo que el nuevo artículo de investigación, “Linear Viscous Flow of Multiple Ices”, trata sobre el primero.
Este artículo describe experimentos de laboratorio y los datos resultantes que sugieren un valor estándar dentro de la “Base empírica del modelado del flujo de los glaciares”, una ecuación conocida como Ley del flujo de los glaciares, que lleva el nombre de John W. Glenn, un físico británico del hielo. Se cambiará por nieve moderada.
Everson dijo que el nuevo valor, cuando se utiliza en una ley de flujo, “predeciría un aumento en la velocidad del flujo debido al aumento de la presión debido a la reducción de las capas de hielo a medida que el clima se calienta”. Esto significaría que los modelos mostrarían menos escorrentía de los glaciares hacia los océanos y proyectarían menos aumento del nivel del mar.
Una necesidad crítica de tener en cuenta el hielo cálido de los glaciares
Abra el congelador en el laboratorio del campus de Iverson y verá un dispositivo de corte de anillo de 9 pies de alto que ha estado simulando las fuerzas y el movimiento del hielo desde 2009. Fue construido con una subvención de 530.000 dólares de la Fundación Nacional de Ciencias. El presente estudio también fue apoyado por subvenciones de la NSF.
En el centro del dispositivo hay un anillo de hielo de aproximadamente 3 pies y 7 pulgadas de espesor. Debajo del anillo hay una prensa hidráulica que puede ejercer hasta 100 toneladas de fuerza sobre el hielo y simular el peso de un glaciar de 800 pies de espesor. El anillo de hielo está rodeado por una tina de fluido circulante que controla la temperatura del hielo a la centésima de grado más cercana. Los motores eléctricos conectados a una placa con pinzas en la parte superior del anillo de hielo pueden hacer girar el hielo a velocidades de 1 a 10,000 pies por año.
Para este proyecto, los investigadores modificaron el dispositivo añadiendo otra pinza en la parte inferior del anillo de hielo para que la rotación de la pinza superior cortara el hielo de debajo.
Colin Schoen, un ex estudiante de maestría en Iowa State que ahora es geólogo en BBJ Group en Chicago y primer autor del último artículo de investigación del grupo, realizó una serie de seis experimentos utilizando el dispositivo modificado. Cada experimento duró aproximadamente seis. Los experimentos de la semana incluyeron mediciones del contenido de agua líquida del hielo, algo que no se había hecho en experimentos de este tipo desde los años 1970.
“Estos experimentos implicaron deformar el hielo a su temperatura de fusión y a diferentes presiones”, dijo Schoen.
Iverson comparó el experimento con sostener un bagel hacia arriba y hacia abajo y luego girar ambas mitades para untar queso crema en el medio.
Los datos experimentales muestran que el hielo se deforma a un ritmo proporcional al estrés, dijo Iverson. Según el pensamiento convencional, los investigadores esperarían que el hielo se ablande al aumentar la tensión, por lo que un aumento de la tensión provocaría un aumento exponencial de la velocidad.
¿Por qué importa todo?
La nieve se modera debajo de las partes de las capas de hielo que fluyen más rápido y cerca de los bordes y en los glaciares de montaña de flujo rápido, los cuales arrojan hielo a los océanos y afectan el nivel del mar. “Por lo tanto, la necesidad de modelar y predecir con precisión el flujo de hielo cálido de los glaciares es intensa”, escribieron los autores.
Reiniciar norte Hasta 1,0
La ley de flujo de Glenn se escribe como: e ̇= Untnorte.
La ecuación relaciona la presión sobre el hielo, ta su tasa de deformación, e ̇dónde Oh es una constante para una temperatura de hielo particular. Los resultados de nuevos experimentos muestran que el valor del exponente de tensión, nortees 1,0 en lugar del valor comúnmente asignado de 3 o 4.
Los autores escribieron: “Basado en los experimentos originales de Glenn y muchos experimentos posteriores, principalmente en hielo frío (-2°C y más), el valor de tensión norte 3,0 se supone en los modelos.” (También escribe que otros estudios sobre el “hielo frío de las capas de hielo” ponen norte aún más alto, 4,0.)
Los autores escribieron: “Para Gnorteeraciones, basadas en los experimentos originales de Glenn y muchos experimentos posteriores, principalmente en hielo frío (-2 ° C y más frío), el valor de expresión del estrés norte 3,0 se supone en los modelos.” (También escribe que otros estudios sobre el “hielo frío de las capas de hielo” ponen norte aún más alto, 4,0.)
Esto se debió, en parte, “a que los experimentos con hielo a presión y temperatura de fusión son un desafío”, dijo Lucas Zoitt, coautor del artículo, ex investigador postdoctoral asociado en el estado de Iowa y decano de Geociencias L. Morgridge. profesor. Universidad de Wisconsin-Madison. Zoitt, quien cosupervisó el proyecto, construyó una versión ligeramente más pequeña del dispositivo de corte anular con paredes transparentes para su laboratorio.
Pero los datos de experimentos de deformación por corte a gran escala en el laboratorio de Iverson han planteado dudas sobre el valor que se le asigna. norte. El hielo templado es linealmente viscoso (norte = 1,0) “excede los rangos normales de contenido de agua líquida y estrés cerca de los lechos de los glaciares y en los márgenes de las corrientes de hielo”, escribieron los autores.
Propusieron que esto se debe al derretimiento y congelación del hielo a lo largo de límites de granos individuales, de escalas de milímetros a centímetros, lo que debería ocurrir a tasas proporcionales al estrés.
Estos nuevos datos permiten a los modeladores “basar sus modelos de capas de hielo en las relaciones físicas demostradas en el laboratorio”, dijo Zwitt. “Mejorar esta comprensión mejora la precisión de las predicciones”.
Se requiere cierta persistencia para obtener datos que respalden el nuevo valor de . norte.
“Hemos estado apostando por este proyecto durante años”, dijo Schoen. “Fue muy difícil hacerlo funcionar”.
Al final, dijo Iverson, “fue un proceso de 10 años, considerando todos los reveses y el crecimiento”.
Los investigadores dijeron que un proceso más largo es esencial para obtener modelos más precisos del hielo de los glaciares templados y mejores predicciones de la escorrentía de los glaciares y el aumento del nivel del mar.
