Διερεύνηση των περιθωρίων διάτμησης και του εύκρατου πάγου στο στρώμα πάγου της Ανταρκτικής
Τα ρεύματα πάγου και οι παγετώνες εξόδου είναι περιοχές πάγου με σχετικά γρήγορη ροή που βρίσκονται δίπλα σε σχεδόν στάσιμους πάγους ή βουνά. Αυτά τα ρεύματα πάγου είναι ορατά ως μωβ ραβδώσεις μέσα από το κίτρινο φόντο στο σχήμα 1 (Mouginot et al., 2017) που δείχνει την επιφανειακή ταχύτητα του φύλλου πάγου της Ανταρκτικής.
Αν και αυτά τα γρήγορα ρέοντα ρεύματα πάγου αντιπροσωπεύουν ένα σχετικά μικρό κλάσμα της επιφάνειας της Ανταρκτικής, αποστραγγίζουν περισσότερο από το 90% του εσωτερικού του φύλλου πάγου. Με αυτόν τον τρόπο, αυτά τα ρεύματα πάγου μεταφέρουν το χιόνι που συσσωρεύεται και συμπιέζεται εντός της ηπείρου στον ωκεανό.
Ως αποτέλεσμα, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το στρώμα πάγου της Ανταρκτικής ανταποκρίνεται στην κλιματική αλλαγή και συμβάλλει στην άνοδο της στάθμης της θάλασσας απαιτεί κατανόηση της δυναμικής των παγετώνων και των ρευμάτων πάγου με γρήγορη ροή. Τα ρεύματα πάγου λιπαίνονται από νερό στη βάση και πιθανότατα προκύπτουν λόγω θερμοιξώδους αστάθειας μέσα στον πάγο (Hindmarsh, 2004; Schoof and Hewitt, 2013):η γρήγορη ροή συνοδεύεται από υψηλούς ρυθμούς διάτμησης, που θερμαίνει τον πάγο, μειώνοντας το ιξώδες , επιτρέποντας περισσότερη διάτμηση και έναν βρόχο θετικής ανάδρασης που δημιουργεί στενά, θερμά περιθώρια διάτμησης.
Σε πολλά ρεύματα πάγου, η θέρμανση διάτμησης εντός του περιθωρίου πιθανότατα γίνεται αρκετά σημαντική για να σχηματίσει εύκρατο πάγο, μια πορώδη ζώνη πάγου που βρίσκεται στη θερμοκρασία τήξης (Schoof and Hewitt, 2016). Η θερμοκρασία του πάγου του παγετώνα ελέγχει τον ρυθμό με τον οποίο ρέει ρυθμίζοντας το ιξώδες του πάγου. Από τις τυπικές επιφανειακές θερμοκρασίες στην Ανταρκτική έως τη θερμοκρασία τήξης, το ιξώδες του πάγου μαλακώνει κατά μια τάξη μεγέθους (Cuffey και Paterson, 2010).
Στους Meyer and Minchew (2018), εξάγουμε ένα μονοδιάστατο θερμομηχανικό μοντέλο για να συμπεράνουμε ποια περιθώρια διάτμησης του φύλλου πάγου της Ανταρκτικής μπορεί να περιέχουν εύκρατο πάγο. Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτό το μοντέλο συνδυάζει τη μηχανική παραμόρφωση του πάγου με τη θερμοκρασία του πάγου. Η μετάβαση από τη γρήγορη σε αργή ροή στα περιθώρια διάτμησης διαχέει ενέργεια μέσω τριβής, η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία του πάγου.
Με αυτό το μοντέλο, εστιάζουμε στις βασικές φυσικές διαδικασίες στην εργασία. αποστάζουμε το πρόβλημα στους βασικούς μηχανισμούς και εξάγουμε εκφράσεις για τον κρίσιμο ρυθμό διάτμησης με τον οποίο ξεκινά μια ζώνη εύκρατου πάγου και το πάχος της εύκρατης ζώνης. Δείχνουμε ότι ο κρίσιμος ρυθμός παραμόρφωσης και το πάχος της εύκρατης ζώνης εξαρτώνται μόνο από δύο αδιάστατες παραμέτρους - τους αριθμούς Brinkman και Péclet - που είναι συναρτήσεις παρατηρήσιμων παραμέτρων όπως ο ρυθμός διάτμησης, η θερμοκρασία επιφάνειας, ο ρυθμός συσσώρευσης επιφάνειας και το πάχος πάγου. Η ανάπτυξη των εύκρατων ζωνών υποκινείται από τους ρυθμούς διατμητικής τάσης (αριθμός Brinkman) και καταστέλλεται από την κίνηση κρύου πάγου από την επιφάνεια (αριθμός P ́eclet), που είναι ανάλογος με τον ρυθμό συσσώρευσης στην επιφάνεια.
Εφαρμόζοντας πρόσφατες παρατηρήσεις και αποτελέσματα από ένα περιφερειακό κλιματικό μοντέλο, δείξαμε ότι πολλά ενεργά περιθώρια διάτμησης παγετώνων θα μπορούσαν να περιέχουν εύκρατο πάγο, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Η χωρική κατανομή και το πάχος των εύκρατων ζωνών ελέγχονται κυρίως από τους ρυθμούς διατμητικής τάσης και τους ρυθμούς επιφανειακής συσσώρευσης .
Τα περιθώρια διάτμησης των ταχέως ρέοντων παγετώνων και των ρευμάτων πάγου αποτελούν κύρια πηγή αντίστασης στη ροή του πάγου. Η διατμητική τάση στα περιθώρια είναι συνάρτηση της ρεολογίας του πάγου, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία του πάγου. Σε παγετώνες όπου το μοντέλο μας προβλέπει παχιές εύκρατες ζώνες αμέσως ανάντη της γραμμής γείωσης, τα περιθώρια διάτμησης εκτείνονται σε μεγάλες αποστάσεις (>100 km) στο πλωτό ράφι πάγου. Υποθέτουμε ότι αυτό οφείλεται στην κατάντη μεταφορά θερμού, μαλακού πάγου στο ράφι πάγου. Ως αποτέλεσμα, η ανάπτυξη εύκρατου πάγου ανάντη της γραμμής γείωσης μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό της δομικής ακεραιότητας της παγοθήκης και στη ρύθμιση της ικανότητας της παγοθήκης να στηρίζει τον παγετώνα, δημιουργώντας έτσι τη δυνατότητα υποχώρησης του στρώματος πάγου λόγω θερμοιξώδους σχόλια.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Temperate ice in the shear margins of the Antarctic Ice Sheet:Controlling processes and preliminary locations, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Earth and Planetary Science Letters. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Colin R. Meyer από το Πανεπιστήμιο του Όρεγκον και τον Brent M. Minchew από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.
Αναφορές:
- Κ. M. Cuffey και W. S. B. Paterson. The Physics of Glaciers (Τέταρτη Έκδοση). ISBN 9780123694614. Elsevier, 2010.
- R. C. A. Hindmarsh. Θερμοιξώδης σταθερότητα ροών πάγου. J. Fluid Mech., 502:17–40, 2004. doi:10.1017/S0022112003007390.
- Γ. R. Meyer και B. M. Minchew. Εύκρατος πάγος στα περιθώρια διάτμησης του στρώματος πάγου της Ανταρκτικής:Ελεγχόμενες διαδικασίες και προκαταρκτικές τοποθεσίες. Πλανήτης της Γης. Sci. Lett., 498:17 – 26, 2018. ISSN 0012-821X. doi:10.1016/j.epsl.2018.06.028.
- Γ. R. Meyer, A. Yehya, B. Minchew, and J. R. Rice. Ένα μοντέλο για την κατάντη εξέλιξη του εύκρατου πάγου και της υδρολογίας υποπαγετώνων κατά μήκος των περιθωρίων διάτμησης του ρεύματος πάγου. J. Geophys. Res., 123(8):1682–1698, 2018. doi:10.1029/2018JF004669.
- J. Mouginot, E. Rignot, B. Scheuchl και R. Millan. Ολοκληρωμένη ετήσια χαρτογράφηση ταχύτητας φύλλου πάγου χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat-8, Sentinel-1 και RADARSAT-2. Remote Sensing, 9(4):364, 2017. doi:10.3390/rs9040364.
- Γ. Schoof και I. Hewitt. Δυναμική φύλλων πάγου. Αννα. Rev. Fluid Mech., 45:217–239, 2013. doi:10.1146/ annurev-fluid-011212-140632.
- Γ. Schoof και I. J. Hewitt. Ένα μοντέλο για πολυθερμικό πάγο που ενσωματώνει μεταφορά υγρασίας με βάση τη βαρύτητα. J. Fluid Mech., 797:504–535, Jun 2016. doi:10.1017/jfm.2016.251.
