Como experimentos para simular as enormes forças envolvidas no fluxo glacial deformam a caixa sob um anel de gelo. As contas foram colocadas verticalmente na caixa - uma mistura de lama depositada glacialmente, areia e partículas de rocha - mas foram movidas pelo movimento do gelo. Crédito:Lucas Zoet
Com base em dados experimentais de uma máquina de laboratório que simula as enormes forças envolvidas no fluxo da geleira, os glaciologistas escreveram uma equação que explica o movimento do gelo que repousa sobre a superfície macia, solo deformável sob partes de mantos de gelo que se movem com rapidez incomum.
Essa equação - ou "lei do deslizamento" - é uma ferramenta que os cientistas podem incluir em modelos de computador do movimento da geleira sobre leitos deformáveis de lama, areia, seixos, rochas e pedregulhos sob geleiras, como o manto de gelo da Antártica Ocidental, disse Neal Iverson, o líder do projeto e professor de ciências geológicas e atmosféricas na Iowa State University. Os modelos que usam a nova lei de deslizamento podem prever melhor a rapidez com que as geleiras estão deslizando, quanto gelo eles estão enviando para os oceanos e como isso afetaria o aumento do nível do mar.
Um artigo publicado online hoje pela revista Ciência descreve a nova lei do deslizamento e os experimentos e dados que a motivam. Os autores são Lucas Zoet, um associado de pesquisa de pós-doutorado no estado de Iowa de 2012 a 2015 e agora um professor assistente de geociências na Universidade de Wisconsin-Madison, e Iverson.
Por que os glaciologistas precisam de uma lei de deslizamento?
"O colapso potencial do manto de gelo da Antártica Ocidental é a maior fonte de incerteza nas estimativas de futura elevação do nível do mar, e essa incerteza resulta, em parte, de processos de manta de gelo modelados de maneira imperfeita, "Zoet e Iverson escreveram em seu jornal.
Lucas Zoet com seu dispositivo de cisalhamento de anel na Universidade de Wisconsin-Madison. Crédito:Ethan Parrish
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Iverson iniciou experimentos com o dispositivo de cisalhamento em anel de 9 pés de altura dentro do freezer de seu laboratório em 2009. No centro do dispositivo está um anel de gelo com cerca de um metro de diâmetro e 20 centímetros de espessura. Abaixo do anel está uma prensa hidráulica que pode aplicar até 100 toneladas de força no gelo e simular o peso de uma geleira de 250 metros de espessura. Acima do anel estão motores que podem girar o gelo em velocidades de 1 a 10, 000 pés por ano.
O gelo é cercado por uma tina de temperatura controlada, fluido circulante que mantém o anel de gelo em sua temperatura de derretimento para que deslize sobre uma fina película de água - assim como todas as geleiras de fluxo rápido.
A $ 530, 000 doação da National Science Foundation apoiou o desenvolvimento do dispositivo. Iverson trabalhou com três engenheiros do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA - Terry Herrman, Dan Jones e Jerry Musselman - para transformar suas idéias em uma máquina de trabalho.
E funcionou por cerca de uma década, fornecendo dados sobre como as geleiras se movem sobre rochas rígidas e sedimentos deformáveis.
Neal Iverson com seu dispositivo de cisalhamento de anel, uma geleira em um freezer, na Iowa State University. Crédito:Christopher Gannon / Iowa State University.
Um empecilho no gelo
Para os experimentos que levaram à nova lei do deslizamento, Zoet dirigiu de Ames a Madison para preencher seis, Baldes de 5 galões com real, sedimento depositado glacialmente chamado até que tinha a mistura certa de lama, areia e partículas maiores de rocha.
Ele colocaria isso no dispositivo de cisalhamento de anel para fazer a caixa registradora. Ele então construiria um anel de gelo acima dele, congelando camadas de água semeadas com cristais de gelo. Ele aplicaria força no gelo, aqueça até derreter e ligue a máquina.
"Estávamos atrás da relação matemática entre a resistência que mantinha o gelo no fundo da geleira e a velocidade com que a geleira deslizaria, "Iverson disse." Isso incluiu estudar o efeito da diferença entre a pressão do gelo no leito e a pressão da água nos poros da caixa - uma variável chamada de pressão efetiva que controla o atrito. "
Os dados indicaram a relação entre "arrastar, velocidade de deslizamento e pressão efetiva que é necessária para modelar o fluxo da geleira, "Disse Iverson.
Esta foto captura o que já foi a interface do leito de gelo de uma geleira que derreteu desde então. O grande pedaço da foto foi empurrado pela geleira agora derretida através do material do leito em que está envolto. Este processo é denominado aração. Crédito:Lucas Zoet
"O gelo da geleira é um fluido altamente viscoso que desliza sobre um substrato - neste caso, um leito deformável - e a fricção no leito fornece o arrasto que mantém o gelo de volta, "Disse Iverson." Na ausência de atrito, o peso do gelo faria com que ele acelerasse catastroficamente como alguns deslizamentos de terra. "
Mas é quase impossível obter dados de arrastar no campo. Zoet disse que o ato de perfurar o gelo mudaria a interface entre a geleira e o leito, tornando as medições e os dados menos precisos.
Então Iverson construiu seu dispositivo de laboratório para coletar esses dados, e Zoet construiu uma versão ligeiramente menor para seu laboratório em Wisconsin. A máquina de Zoet possui uma câmara de amostra transparente para que os pesquisadores possam ver mais do que está acontecendo durante um experimento.
A lei de deslizamento com base experimental resultante para geleiras que se movem sobre leitos moles deve fazer a diferença nas previsões de movimento da geleira e aumento do nível do mar:
"Modelos de manta de gelo usando nossa nova relação de deslizamento, "Iverson disse, "tenderia a prever maiores descargas de gelo no oceano - e maiores taxas de elevação do nível do mar - do que as leis de deslizamento atualmente em uso na maioria dos modelos de manto de gelo."
