Comment des expériences visant à simuler les énormes forces impliquées dans l'écoulement glaciaire déforment le till sous un anneau de glace. Les billes ont été placées verticalement dans le till - un mélange de boue déposé par les glaciers, des particules de sable et de roche - mais ont été déplacées par le mouvement de la glace. Crédit :Lucas Zoet
Soutenu par les données expérimentales d'une machine de laboratoire qui simule les énormes forces impliquées dans l'écoulement glaciaire, les glaciologues ont écrit une équation qui explique le mouvement de la glace qui repose sur le sol mou, sol déformable sous les parties inhabituellement rapides des calottes glaciaires.
Cette équation - ou "loi de glissement" - est un outil que les scientifiques peuvent inclure dans les modèles informatiques du mouvement des glaciers sur les lits de boue déformables, sable, cailloux, des rochers et des rochers sous des glaciers tels que la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental, dit Neal Iverson, le chef de projet et professeur de sciences géologiques et atmosphériques à l'Iowa State University. Les modèles utilisant la nouvelle loi de glissement pourraient mieux prédire la vitesse à laquelle les glaciers glissent, combien de glace ils envoient aux océans et comment cela affecterait l'élévation du niveau de la mer.
Un article publié en ligne aujourd'hui par la revue Science décrit la nouvelle loi de glissement et les expériences et données qui la motivent. Les auteurs sont Lucas Zoet, associé de recherche postdoctoral à l'Iowa State de 2012 à 2015 et maintenant professeur adjoint de géosciences à l'Université du Wisconsin-Madison, et Iverson.
Pourquoi les glaciologues ont-ils besoin d'une loi de glissement ?
« L'effondrement potentiel de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental est la plus grande source d'incertitude dans les estimations de l'élévation future du niveau de la mer, et cette incertitude résulte, en partie, à partir de processus de calotte glaciaire imparfaitement modélisés, " Zoet et Iverson ont écrit dans leur journal.
Lucas Zoet avec son dispositif de cisaillement annulaire à l'Université du Wisconsin-Madison. Crédit :Ethan Parrish
Glacier-dans-un-congélateur
Iverson a commencé des expériences avec le dispositif de cisaillement annulaire de 9 pieds de haut à l'intérieur du congélateur-chambre de son laboratoire en 2009. Au centre de l'appareil se trouve un anneau de glace d'environ trois pieds de diamètre et huit pouces d'épaisseur. Sous l'anneau se trouve une presse hydraulique qui peut exercer jusqu'à 100 tonnes de force sur la glace et simuler le poids d'un glacier de 800 pieds d'épaisseur. Au-dessus de l'anneau se trouvent des moteurs capables de faire tourner la glace à des vitesses de 1 à 10, 000 pieds par an.
La glace est entourée d'un bac à température contrôlée, fluide circulant qui maintient l'anneau de glace à sa température de fonte afin qu'il glisse sur une fine pellicule d'eau, comme tous les glaciers à écoulement rapide.
A 530 $, 000 000 subvention de la National Science Foundation a soutenu le développement de l'appareil. Iverson a travaillé avec trois ingénieurs du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie :Terry Herrman, Dan Jones et Jerry Musselman—pour transformer ses idées en machine de travail.
Et cela a fonctionné pendant environ une décennie, fournissant des données sur la façon dont les glaciers se déplacent sur des roches rigides et des sédiments déformables.
Neal Iverson avec son dispositif de cisaillement annulaire, un glacier-dans-un-congélateur, à l'Université d'État de l'Iowa. Crédit :Christopher Gannon/Iowa State University.
Une traînée sur la glace
Pour les expériences qui ont conduit à la nouvelle loi de glissement, Zoet a conduit d'Ames à Madison pour en remplir six, seaux de 5 gallons avec de vrais, sédiment déposé par les glaciers appelé till qui avait le bon mélange de boue, du sable et des particules de roche plus grosses.
Il le mettait dans le dispositif de cisaillement pour faire le lit de la caisse. Il construirait ensuite un anneau de glace au-dessus en gelant des couches d'eau ensemencées de cristaux de glace. Il appliquerait la force sur la glace, chauffez-le jusqu'à ce qu'il fonde et allumez la machine.
"Nous recherchions la relation mathématique entre la traînée retenant la glace au fond du glacier et la vitesse à laquelle le glacier glisserait, " a déclaré Iverson. " Cela incluait l'étude de l'effet de la différence entre la pression de la glace sur le lit et la pression de l'eau dans les pores du till, une variable appelée pression effective qui contrôle la friction. "
Les données ont indiqué la relation entre « la traînée, la vitesse de glissement et la pression effective nécessaires pour modéliser l'écoulement glaciaire, " a déclaré Iverson.
Cette photo capture ce qui était autrefois l'interface du lit de glace d'un glacier qui a depuis fondu. Le grand clast sur la photo a été poussé par le glacier maintenant fondu à travers le matériau du lit dans lequel il est enfermé. Ce processus s'appelle le labour. Crédit :Lucas Zoet
"La glace de glacier est un fluide très visqueux qui glisse sur un substrat - dans ce cas un lit de till déformable - et la friction au niveau du lit fournit la traînée qui retient la glace, " dit Iverson. " En l'absence de friction, le poids de la glace le ferait accélérer de façon catastrophique comme certains glissements de terrain."
Mais il est presque impossible d'obtenir des données de traînée sur le terrain. Zoet a déclaré que le fait de forer à travers la glace modifierait l'interface entre le glacier et le lit, rendant les mesures et les données moins précises.
Iverson a donc construit son appareil de laboratoire pour collecter ces données, et Zoet a construit une version légèrement plus petite pour son laboratoire du Wisconsin. La machine de Zoet dispose d'une chambre d'échantillon transparente afin que les chercheurs puissent voir plus de ce qui se passe pendant une expérience.
La loi de glissement expérimentale résultante pour les glaciers se déplaçant sur des lits mous devrait faire une différence dans les prédictions du mouvement des glaciers et de l'élévation du niveau de la mer :
"Modèles de calotte glaciaire utilisant notre nouvelle relation de glissement, " Iverson a dit, "aurait tendance à prédire des décharges de glace plus élevées dans l'océan - et des taux d'élévation du niveau de la mer plus élevés - que les lois de glissement actuellement utilisées dans la plupart des modèles de calotte glaciaire."
