De wetten voor hoe korrelige materialen stromen, zijn zelfs van toepassing op de reus, geofysische schaal van ijsbergen die zich opstapelen in de oceaan bij de uitgang van een gletsjer, wetenschappers hebben aangetoond.

De Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) publiceerde de bevindingen, beschrijft de dynamiek van de klomp ijsbergen - bekend als een ijsmelange - voor de Jakobshavn-gletsjer in Groenland. De snel bewegende gletsjer wordt beschouwd als een klokkentoren voor de effecten van klimaatverandering.

"We hebben microscopische theorieën voor de mechanica van granulair stromen verbonden met 's werelds grootste granulaire materiaal - een gletsjerijsmelange, " zegt Justin Burton, een assistent-professor natuurkunde aan Emory University en hoofdauteur van het artikel. "Onze resultaten kunnen onderzoekers helpen die de toekomstige evolutie van de ijskappen van Groenland en Antarctica proberen te begrijpen. We hebben aangetoond dat een melange van ijs mogelijk een groot en meetbaar effect kan hebben op de productie van grote ijsbergen door een gletsjer."

De National Science Foundation financierde het onderzoek, die natuurkundigen samenbracht die de fundamentele mechanica van korrelige materialen bestuderen in laboratoria en glaciologen die hun zomers doorbrengen met het verkennen van poolijskappen.

"Glaciologen houden zich over het algemeen bezig met langzame, constante vervorming van gletsjerijs, die zich gedraagt ​​als dikke melasse - een stroperig materiaal dat naar de zee kruipt, " zegt co-auteur Jason Amundson, een glacioloog aan de Universiteit van Alaska Zuidoost, Juneau. "Melange van ijs, anderzijds, is in wezen een korrelig materiaal - in wezen een gigantische slushy - dat wordt beheerst door verschillende fysica. We wilden het gedrag van ijsmelange en de effecten ervan op gletsjers begrijpen."

Voor duizenden jaren, de enorme gletsjers van de poolgebieden van de aarde zijn relatief stabiel gebleven, het ijs sloot zich op in bergachtige vormen die in de warmere maanden wegebben maar in de winter hun omvang terugkregen. In de afgelopen decennia, echter, warmere temperaturen zijn begonnen met het snel ontdooien van deze bevroren reuzen. Het komt steeds vaker voor dat ijsplaten - ongeveer een kilometer hoog - verschuiven, barsten en tuimelen in de zee, splijten van hun moedergletsjers in een explosief proces dat bekend staat als afkalven.

Jakobshavn-gletsjer vordert zo snel als 50 meter per dag totdat hij de oceaanrand bereikt, een punt dat bekend staat als het eindpunt van de gletsjer. Ongeveer 35 miljard ton ijsbergen kalven elk jaar af van de Jakobshavn-gletsjer, uitmondt in de Ilulissat-fjord van Groenland, een rotskanaal van ongeveer vijf kilometer breed. Het afkalfproces zorgt voor een tuimelende mix van ijsbergen die langzaam door de fjord worden geduwd door de beweging van de gletsjer. De melange van ijs kan honderden meters diep in het water reiken, maar aan de oppervlakte lijkt het op een klonterig sneeuwveld dat remt, maar kan niet stoppen, de beweging van de gletsjer.

"Een melange van ijs is een soort vagevuur voor ijsbergen, omdat ze in het water zijn afgebroken, maar ze hebben de open oceaan nog niet bereikt, ' zegt Burton.

Hoewel wetenschappers lang hebben bestudeerd hoe ijs zich vormt, breekt en stroomt binnen een gletsjer, niemand had de korrelige stroom van een ijsmelange gekwantificeerd. Het was een onweerstaanbare uitdaging voor Burton. Zijn laboratorium maakt experimentele modellen van glaciale processen om te proberen hun fysieke krachten te kwantificeren. Het gebruikt ook microscopisch kleine deeltjes als model om de fundamentele mechanica van korrelige, amorfe materialen, en de grens tussen een vrij stromende staat en een rigide, een vastgelopen.

"Korrelmateriaal is overal, van de poeders waaruit geneesmiddelen bestaan ​​tot het zand, vuil en rotsen die onze aarde vormen, " zegt Burton. En toch, hij voegt toe, de eigenschappen van deze amorfe materialen zijn niet zo goed begrepen als die van vloeistoffen of kristallen.

Naast Amundson, Burtons co-auteurs van de PNAS-paper zijn onder meer glacioloog Ryan Cassotto - voorheen verbonden aan de University of New Hampshire en nu verbonden aan de University of Colorado Boulder - en natuurkundigen Chin-Chang Kuo en Michael Dennin, van de Universiteit van Californië, Irvine.

De onderzoekers karakteriseerden zowel de stroming als de mechanische spanning van de Jacobshavn-ijsmelange met behulp van veldmetingen, satellietgegevens, laboratoriumexperimenten en numerieke modellering. De resultaten beschrijven kwantitatief de stroming van het ijsmelange terwijl het vastloopt en weer loskomt tijdens zijn reis door de fjord. Het artikel liet ook zien hoe de ijsmelange kan fungeren als een "korrelige ijsplaat" in zijn vastgelopen toestand, die zelfs de grootste ijsbergen ondersteunden die in de oceaan afkalven.

"We hebben aangetoond dat glaciologen die het gedrag van ijsplaten met ijsmelanges modelleren, rekening moeten houden met de krachten van die melanges, ', zegt Burton. 'We hebben ze de kwantitatieve instrumenten gegeven om dat te doen.'