Ученые показали, что законы движения гранулированных материалов применимы даже к гигантским геофизическим масштабам айсбергов, накапливающихся в океане на выходе из ледника.
The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) опубликовали результаты, описывающие динамику скопления айсбергов, известного как ледяной меланж, перед ледником Якобсхавн в Гренландии. Быстро движущийся ледник считается предвестником последствий изменения климата.
«Мы соединили микроскопические теории механики сыпучего течения с самым большим в мире зернистым материалом - меланжем ледникового льда», - говорит Джастин Бертон, доцент кафедры физики Университета Эмори и ведущий автор статьи. «Наши результаты могут помочь исследователям, которые пытаются понять будущую эволюцию ледяных щитов Гренландии и Антарктиды. Мы показали, что ледяной меланж потенциально может иметь большое и измеримое влияние на образование больших айсбергов ледником».
Национальный научный фонд финансировал исследование, в котором приняли участие физики, изучающие фундаментальную механику гранулированных материалов в лабораториях, и гляциологи, которые проводят лето, исследуя полярные ледяные щиты.
«Гляциологи обычно имеют дело с медленной, устойчивой деформацией ледникового льда, который ведет себя как густая патока - вязкий материал, сползающий к морю», - говорит соавтор Джейсон Амундсон, гляциолог из Юго-восточного университета Аляски, Джуно..«Ледяной меланж, с другой стороны, представляет собой зернистый материал - по сути, гигантскую слякоть, - которая подчиняется другой физике. Мы хотели понять поведение ледяного меланжа и его влияние на ледники».
В течение тысячелетий массивные ледники полярных регионов Земли оставались относительно стабильными, лед застыл в горных формах, которые отступали в теплые месяцы, но вновь набирали свою массу зимой. Однако в последние десятилетия более высокие температуры начали быстро оттаивать эти замерзшие гиганты. Ледяные щиты высотой около километра все чаще смещаются, трескаются и падают в море, отделяясь от материнских ледников во взрывном процессе, известном как откалывание.
Ледник Якобсхавн продвигается со скоростью 50 метров в день, пока не достигнет кромки океана, точки, известной как конечная точка ледника. Ежегодно от ледника Якобсхавн откалывается около 35 миллиардов тонн айсбергов, выливающихся в гренландский фьорд Илулиссат, скалистый канал шириной около пяти километров. Процесс отела создает кувыркающуюся смесь айсбергов, которые медленно проталкиваются через фьорд движением ледника. Ледяной меланж может простираться на сотни метров вглубь воды, но на поверхности он напоминает комковатое снежное поле, которое сдерживает, но не может остановить движение ледника.
«Ледяной меланж - это своего рода чистилище для айсбергов, потому что они откололись от воды, но еще не выбрались в открытый океан», - говорит Бертон.
Хотя ученые уже давно изучают, как лед формируется, ломается и течет внутри ледника, никто не смог дать количественную оценку зернистого потока ледяного меланжа. Это был непреодолимый вызов Бертону. Его лаборатория создает экспериментальные модели ледниковых процессов, чтобы попытаться количественно оценить их физические силы. Он также использует микроскопические частицы в качестве модели для понимания фундаментальной механики зернистых, аморфных материалов и границы между свободно текущим состоянием и жестким, заклиненным состоянием.
«Гранулированный материал есть везде, от порошков, из которых состоят фармацевтические препараты, до песка, грязи и камней, из которых состоит наша Земля», - говорит Бертон. И все же, добавляет он, свойства этих аморфных материалов изучены не так хорошо, как свойства жидкостей или кристаллов.
Помимо Амундсона, соавторами Бертона по статье PNAS являются гляциолог Райан Кассотто, ранее работавший в Университете Нью-Гэмпшира, а теперь в Университете Колорадо в Боулдере, а также физики Чин-Чанг Куо и Майкл Деннин из Калифорнийский университет в Ирвине.
Исследователи охарактеризовали поток и механическое напряжение ледяного меланжа Якобсхавн, используя полевые измерения, спутниковые данные, лабораторные эксперименты и численное моделирование. Результаты количественно описывают поток ледяного меланжа, когда он застревает и разжимается во время своего путешествия через фьорд. В документе также показано, как ледяной меланж может действовать как «зернистый шельфовый ледник» в заклиненном состоянии, поддерживая даже самые большие айсберги, отколовшиеся в океане.
«Мы показали, что гляциологи, моделирующие поведение шельфовых ледников с ледяными меланжами, должны учитывать силы этих меланжей», - говорит Бертон. «Мы предоставили им количественные инструменты для этого».