Дослідники вимірюють топографію відкритого ложа льодовика на льодовику Каслгард у Скелястих горах Альберти, Канада. Авторство: фото Кейта Вільямса, надано Крістіаном Геланоу
На польових фотографіях видно тверду, нерівну місцевість, по якій ковзають деякі льодовики: скелясті куполи та горби в граніті, скелясті сходи та западини у вапняку. Льодовикові ложа затьмарюють дослідників та їхні інструменти. (Як і високі гори, зображені на різних горизонтах.)
Під час своїх подорожей до льодовиків, нещодавно оголених відступаючими льодовиками в Швейцарських Альпах (льодовики Рона, Шварцбург і Цанфлерон) і Канадських Скелястих горах (льодовик Каслгард), четверо гляціологів використовували лазерні та безпілотні технології для точного вимірювання скелястих пластів і запису їх дуже різних контури.
Дослідники перетворили вимірювання на цифрові моделі з високою роздільною здатністю льодовиків. Потім вони приступили до роботи з керованими, але репрезентативними субодиницями моделей, щоб вивчити, як льодовики ковзають уздовж корінної основи.
«Найпростіший спосіб сказати, що ми вивчили взаємозв’язок між силами в основі льодовика та швидкістю руху льодовика», — сказав Ніл Айверсон, професор геології та атмосферних наук Університету штату Айова та керівник дослідження.
Малі зміни сили, великі зміни швидкості
Отриманий «закон ковзання» льодовика, розроблений командою, описує «зв’язок між силами, що діють на дно льоду та води, і швидкістю льодовика», – сказав Айверсон. І цей закон ковзання може бути використаний іншими дослідниками, щоб краще оцінити, як швидко крижані щити втікають в океани, скидають свій лід і підвищують рівень моря.
Окрім Айверсона, до дослідницької групи увійшли Крістіан Хеланов, науковий співробітник штату Айова з 2018 по 2020 рік, який зараз є доктором математики в Стокгольмському університеті у Швеції; Лукас Зут, науковий співробітник штату Айова з 2012 по 2015 роки, а зараз доцент кафедри геонаук в Університеті Вісконсін-Медісон; і Джейкоб Вудард, докторант з геофізики у Вісконсині.
Відкрите ложе льодовика Шварцбург у швейцарських Альпах. Авторство: фото Ніла Айверсона
Роботу команди підтримав грант Національного наукового фонду.
Хеланоу є першим автором статті, щойно опублікованої в Інтернеті Наука розвивається який описує новий закон ковзання для льодовиків, що рухаються по корінній основі.
Розрахунки Хеланова, засновані на комп’ютерній моделі фізики того, як лід локально ковзає та відділяється від грубої основи, і отриманий закон ковзання показують, що невеликі зміни сили на дні льодовика можуть призвести до великих змін у швидкості льодовика.
Вимірювання в дюймах
Дослідники використовували два методи для збору вимірювань високої роздільної здатності топографії нещодавно відкритих шарів льодовиків. Вони використовували наземну технологію лідарного картографування для детальних 3D-вимірів. І вони відправили безпілотники, щоб сфотографувати грядки з різних кутів, що дозволило детально побудувати топографію з роздільною здатністю близько 4 дюймів.
«Для цієї моделі ми використали фактичні льодовикові пласти в їхніх повністю тривимірних неправильних формах», — сказав Айверсон. «Виявляється, це важливо».
У попередніх роботах використовувалися ідеалізовані двовимірні моделі лож льодовиків. Дослідники зрозуміли, що такі моделі не підходять для отримання закону ковзання для твердого ліжка.
«Головне, що ми зробили, — сказав Хеланов, — це використали спостережувані, а не ідеалізовані дна льодовика, щоб побачити, як вони впливають на зсув льодовика».
Універсальний закон ковзання?
Робота дотримується іншого закону ковзання, визначеного Зоетом і Айверсоном, який був опублікований у Квітень 2020 року за журн наука.
Між ними є кілька ключових відмінностей: перший закон ковзання враховує рух льоду, що рухається над м’яким деформованим ґрунтом, тоді як другий стосується льодовиків, які рухаються над твердими шарами. (Обидва типи ложа поширені під льодовиками та льодовиковими покривами.) І перший підтверджується експериментальними даними лабораторного пристрою, який імітує ковзання на дні льодовика, а не базується на польових вимірюваннях колишніх пластів льодовика та комп’ютерному моделюванні. .
Незважаючи на це, два закони ковзання зрештою мали схожі математичні форми.
«Вони дуже схожі — будь то закон ковзання для м’яких чи твердих ліжок», — сказав Айверсон. «Але важливо розуміти, що процеси відрізняються, константи в рівняннях мають досить різні значення для твердих і м’яких ліжок».
Це спонукало дослідників задуматися про більш чисельний аналіз: «Ці результати, — написали вони, — можуть вказувати на універсальний закон ковзання, який спростить і покращить оцінки викидів льодовика в океани».
Довідка: «Закон ковзання для льодовиків із твердим пластом, отриманий із спостережуваної топографії дна» Крістіана Хеланова, Ніла Р. Айверсона, Джейкоба Б. Вударда та Лукаса К. Зуета, 14 травня 2021 р., Наука розвивається.
DOI: 10.1126/sciadv.abe7798
