微小的沙粒引发大规模的冰川涌动–突然以正常速度的10到100倍溢出陆地

在圣伊莱亚斯山的汹涌的冰川，加拿大。

新模型回答了这些突发流量如何发生的长期问题。可能会扩大对南极冰盖的了解。

地球上约有10％的土地被冰川覆盖，其中大部分冰川在数年内缓慢地滑过陆地，刻画着峡湾和尾随的河流。但是，大约有1％的冰川会突然涌出，以正常速度的10到100倍溢出整个土地。

当这种情况发生时，冰川激增会引发雪崩，洪水泛滥的河流和湖泊，并淹没下游定居点。引发激增本身的因素一直是冰川学领域一个长期存在的问题。

现在，麻省理工学院和达特茅斯学院的科学家已经开发出一种模型，用于确定引发冰川激增的条件。通过他们的模型，研究人员发现冰川激增是由下层沉积物的条件驱动的，特别是由高耸的冰川下的微小沉积物颗粒驱动的。

“天平之间存在巨大差异：冰川是这些巨大的东西，结果证明它们的流动（这种令人难以置信的动量）某种程度上是由毫米级沉积物的颗粒驱动的。”麻省理工学院地球大气系塞西尔和艾达·格林的助理教授布伦特·明切（Brent Minchew）说。和行星科学。“这很难让你明白。开启从未有人真正考虑过的全新的查询热线，真是令人兴奋。”

这种新的冰川激增模型还可以帮助科学家更好地了解大块流动冰的行为。

“我们认为冰川激增是自然实验室，” Minchew说。“由于这是一次极端的短暂事件，冰川激增使我们有机会了解其他系统的工作方式，例如南极快速流动的溪流，这些都是导致海平面上升的因素。”

Minchew和他的合著者达特茅斯（Dartmouth）的科林·迈耶（Colin Meyer）已于本月在《皇家学会A录》上发表了他们的研究结果。

冰川破裂

Minchew还在读博士学位时，正在阅读冰川学领域的标准教科书《冰川物理》，当时他对模拟冰川激增的前景遇到了相当冷淡的段落。这段话概述了这种模型的基本要求，并以悲观的观点结束，指出“尚未建立这样的模型，而且没有人提出意见。”

Minchew并没有因此而感到沮丧，反而将此挑战视为挑战，并在其论文的一部分开始为描述冰河激增的触发事件的模型奠定了
框架。时间是基于这样的假设，即大多数浪涌型冰川都位于基岩之上，而模型假定的粗糙且不可渗透的表面在冰川流过时保持不变。但是科学家从那以后观察到，冰川激增通常不发生在坚硬的岩石上，而是发生在不断变化的沉积物上。

Minchew的模型模拟了冰川在由单个颗粒组成的可渗透沉积物层上的运动，他可以在模型中调整冰川的大小以研究沉积物中颗粒之间的相互作用以及最终冰川在响应中的运动。

新模型表明，当冰川以正常速度在沉积床上移动时，与冰川直接接触的沉积层顶部的颗粒会以相同的速度与冰川一起被拖曳，中间的移动速度较慢，而底部的移动保持不变。

谷物的这种分层移动在沉积物层内产生了剪切作用。在微观尺度上，该模型表明，这种剪切作用以单个沉积物颗粒的形式发生，这些颗粒相互叠加并向上滚动。当谷物在冰川上滚动，向上滚动并离开冰川时，它们会在水饱和的沉积物层中打开扩大的空间，从而为水渗入提供了囊袋。这会降低水压，从而增强整个沉积物的强度，对沉积物的颗粒产生某种阻力，并使它们更难与运动的冰川一起滚动。

但是，随着冰川的积雪，冰川变厚，表面变陡，这增加了作用在沉积物上的剪切力。随着沉积物的减弱，冰川开始流动得越来越快。

“它流动得越快，冰川变薄的越多，并且随着变薄，您在减少沉积物的负荷，因为您在减少冰的重量。因此，您正在使冰的重量更接近沉积物的水压。最终削弱了沉积物。” Minchew解释说。“一旦发生这种情况，一切都会开始崩溃，并且您会激增。”

南极剪切

作为对他们模型的检验，研究人员将他们的模型预测与最近经历过两次激增的两个冰川的观测结果进行了比较，发现该模型能够以合理的精度再现两个冰川的流量。

为了预测哪些冰川将激增以及何时激增，研究人员说，科学家们将不得不了解下层沉积物的强度，特别是沉积物颗粒的大小分布。如果可以根据特定冰川的环境进行这些测量，则新模型可用于预测冰川何时以及将激增多少。

除了冰川激增，Minchew希望新模型将有助于阐明其他系统中冰流的机理，例如南极洲西部的冰盖。

Minchew说：“在我们的一生中，我们有可能从西南极洲获得1至3米的海平面上升，这是有可能的范围之内。”冰川激增中的这种剪切机制可能在确定您从西极南极获得的海平面上升速率中起着重要作用。

参考：B. M. Minchew和C. R. Meyer于2020年6月3日在皇家学会A.DOI的论文中指出：“冰川下沉积物的膨胀控制着具有可变形床层的冰川的初期浪涌运动”。
10.1098 / rspa.2020.0033

这项研究部分由美国国家科学基金会和NASA资助。