Ongeveer 10 procent van de landmassa van de aarde is bedekt met gletsjers, waarvan de meeste in de loop der jaren langzaam over het land glijden, snijdende fjorden en slepende rivieren in hun kielzog. Maar ongeveer 1 procent van de gletsjers kan plotseling stijgen, met 10 tot 100 keer hun normale snelheid over het land storten.

Wanneer dit gebeurt, een glaciale golf kan lawines veroorzaken, rivieren en meren overstromen, en stroomafwaarts gelegen nederzettingen overweldigen. Wat de pieken zelf veroorzaakt, is een al lang bestaande vraag op het gebied van glaciologie.

Nu hebben wetenschappers van het MIT en Dartmouth College een model ontwikkeld dat de omstandigheden vastlegt die een gletsjer zouden doen opzwellen. Door hun model de onderzoekers vinden dat glaciale golf wordt aangedreven door de omstandigheden van het onderliggende sediment, en in het bijzonder door de kleine korrels sediment die onder een torenhoge gletsjer liggen.

"Er is een enorme scheiding van schalen:gletsjers zijn deze enorme dingen, en het blijkt dat hun stroom, deze ongelooflijke hoeveelheid momentum, wordt op de een of andere manier aangedreven door korrels van sediment op millimeterschaal, " zegt Brent Minchew, de Cecil en Ida Green assistent-professor aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen. "Dat is moeilijk om je hoofd erbij te houden. En het is opwindend om deze hele nieuwe onderzoekslijn te openen waar niemand eerder echt aan had gedacht."

Het nieuwe model van glaciale golf kan wetenschappers ook helpen het gedrag van grotere massa's bewegend ijs beter te begrijpen.

"We zien gletsjergolven als natuurlijke laboratoria, " zegt Minchew. "Omdat ze zo extreem zijn, voorbijgaande gebeurtenis, glaciale pieken geven ons inzicht in hoe andere systemen werken, zoals de snelstromende stromen op Antarctica, dat zijn de dingen die er toe doen voor de zeespiegelstijging."

Minchew en zijn co-auteur Colin Meyer van Dartmouth hebben deze maand hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Proceedings van de Royal Society A .

Een gletsjer breekt los

Terwijl hij nog een Ph.D. student, Minchew las "The Physics of Glaciers, " het standaard leerboek op het gebied van glaciologie, toen hij een nogal sombere passage tegenkwam met het vooruitzicht een gletsjergolf te modelleren. De passage schetste de basisvereisten van een dergelijk model en sloot af met een pessimistische kijk, opmerkend dat "een dergelijk model niet is vastgesteld, en niemand is in zicht."

In plaats van ontmoedigd te zijn, Minchew vatte deze verklaring op als een uitdaging, en als onderdeel van zijn proefschrift begon hij het raamwerk te schetsen voor een model om de uitlokkende gebeurtenissen voor een glaciale golf te beschrijven.

Zoals hij snel besefte, het handjevol modellen dat destijds bestond, was gebaseerd op de veronderstelling dat de meeste gletsjers van het golftype bovenop gesteente lagen - ruwe en ondoordringbare oppervlakken waarvan de modellen aannamen dat ze onveranderd bleven terwijl gletsjers eroverheen stroomden. Maar wetenschappers hebben sindsdien opgemerkt dat gletsjergolven zich vaak niet voordoen boven vast gesteente, maar in plaats daarvan over verschuivend sediment.

Minchew's model simuleert de beweging van een gletsjer over een doorlatende laag sediment, samengesteld uit afzonderlijke granen, waarvan hij de grootte in het model kan aanpassen om zowel de interacties van de korrels in het sediment te bestuderen, en uiteindelijk, de beweging van de gletsjer als reactie.

Het nieuwe model laat zien dat als een gletsjer met een normale snelheid over een sedimentbodem beweegt, de korrels aan de bovenkant van de sedimentlaag, in direct contact met de gletsjer, worden met dezelfde snelheid met de gletsjer meegesleept, terwijl de korrels naar het midden langzamer bewegen, en die aan de onderkant blijven zitten.

Deze gelaagde verschuiving van korrels creëert een afschuivend effect binnen de sedimentlaag. Op microschaal, het model laat zien dat deze afschuiving plaatsvindt in de vorm van losse sedimentkorrels die op en over elkaar heen rollen. Terwijl korrels oprollen, over, en weg met de gletsjer, ze openen ruimtes in de met water verzadigde sedimentlaag die uitzetten, waardoor het water in zakken kan sijpelen. Dit zorgt voor een afname van de waterdruk, die het sedimentaire materiaal als geheel versterkt, het creëren van een soort weerstand tegen de korrels van het sediment en het moeilijker maken voor hen om mee te rollen met de bewegende gletsjer.

Echter, zoals een gletsjer sneeuw ophoopt, het wordt dikker en het oppervlak wordt steiler, waardoor de schuifkrachten die op het sediment werken toenemen. Naarmate het sediment verzwakt, de gletsjer begint steeds sneller te stromen.

"Hoe sneller het stroomt, hoe meer de gletsjer dunner wordt, en als je begint te verdunnen, je vermindert de belasting van het sediment, omdat je het gewicht van het ijs vermindert. Dus je brengt het gewicht van het ijs dichter bij de waterdruk van het sediment. En dat verzwakt uiteindelijk het sediment, " legt Minchew uit. "Als dat eenmaal gebeurt, alles begint los te barsten, en je krijgt een golf."

Antarctisch scheren

Als een test van hun model, de onderzoekers vergeleken voorspellingen van hun model met observaties van twee gletsjers die recentelijk stroomstoten hebben ervaren, en ontdekte dat het model de stroomsnelheden van beide gletsjers met redelijke precisie kon reproduceren.

Om te voorspellen welke gletsjers wanneer zullen stijgen, de onderzoekers zeggen dat wetenschappers iets moeten weten over de sterkte van het onderliggende sediment, en vooral, de grootteverdeling van de sedimentkorrels. Als deze metingen kunnen worden gedaan aan de omgeving van een bepaalde gletsjer, het nieuwe model kan worden gebruikt om te voorspellen wanneer en met hoeveel die gletsjer zal stijgen.

Voorbij gletsjergolven, Minchew hoopt dat het nieuwe model zal helpen om de mechanica van ijsstroom in andere systemen te verlichten, zoals de ijskappen in West-Antarctica.

"Het is zeer goed mogelijk dat we binnen ons leven 1 tot 3 meter zeespiegelstijging kunnen krijgen vanaf West-Antarctica, "Zegt Minchew. Dit type afschuifmechanisme bij gletsjergolven zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het bepalen van de mate van zeespiegelstijging die je zou krijgen van West-Antarctica."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.