Glaciärflöde och isdeformation förklarad
En glaciär är inte ett statiskt isbord. Den rör sig, flödar och deformeras kontinuerligt under inflytande av gravitationens dragning nedåt längs lutningen och den motverkande kraften från is-friktionen mot underlaget och sidoväggar. Rörelsehastigheten varierar enormt — från centimeter per år för tröga glaciärer i kalla, torra miljöer till meter per dag för de snabbaste utloppsglacpräserna i Grönland och Antarktis. De mekanismer som styr hastigheten är en av de centrala frågorna i glaciologin, med direkta konsekvenser för hur snabbt glaciärmassan kan bidra till havsyteökning.
Att förstå glaciärflöde kräver att man förstår isens materiaiegenskaper — en kombination av plastisk och brittisk deformation beroende på tryck, temperatur och deformationshastighet. Utforska glaciärernas utbredning och karaktär globalt via kartan.
Is som ett plastiskt material
Is är i vardagligt tillstånd ett sprött material — ett glas fyllt med iskakor knäcks lätt. Men under tillräckligt tryck och vid deformation på lång tidsskala beter sig is som en plastisk vätska — det flödar. Denna övergång från brittisk till plastisk deformation bestäms av trycket och temperaturen.
Rent is deformerar plastisk enligt Glen's flow law, formulerat av John Glen på 1950-talet. Enligt denna lag är deformationshastigheten proportionell mot den tredje potensen av skjuvspänningen — det vill säga en fördubbeling av spänningen ger åttafaldig deformationshastighet. Lagen gäller vid temperaturer nära smältpunkten och förändras vid lägre temperaturer.
I praktiken innebär detta att is rör sig i en inre laminar rörelse där de djupaste lagren (nära botten, under störst tryck) deformeras mer än de ytliga lagren. Liknande strömningsprofilen hos en viskös vätska i ett rör — kallas Poiseuille-flöde i hydrauliken — men applicerat på is i en glaciärgeometri.
Subglacialt glidande
Plastisk deformation av isen förklarar inte hela den flödeshastighet som observeras i tempererade glaciärer. En andra komponent är basalt glidande — glidande av ismassan mot det bergunderlaget vid botten. Detta sker primärt i tempererade (varma-baserade) glaciärer, det vill säga glaciärer vars bas befinner sig vid smältpunkten.
Varma-baserade glaciärer har smältvatten vid gränssnittet mellan is och berg. Detta smältvatten minskar friktionen dramatisk och möjliggör en glid-komponent som kan bidra med 50–90 procent av den totala flödeshastigheten vid snabbt rörliga glaciärer. Vattenfilmen är tunnare än en millimeter men är den kritiska faktorn.
Smältvattnet produceras av:
- Geotermisk värmeflöde från berggrunden
- Friktionsvärme från isens rörelse mot underlaget
- Tryckets inverkan på smältpunkten — vid högt tryck sänks smältpunkten något
Subglacial deformation av till
I glaciärer med tjocka lager av lös till (subglacial) kan ytterligare ett rörelsemönster bidra till flödet: deformation av det subglaciala till-lagret självt. Tjock, vattenmättad till under trycket av isen ovanpå kan deformera plastisk och bidra med en ytterligare hastighetskomponent.
Detta fenomen, känt som "soft-bed" sliding eller deformable bed motion, är viktigt i glaciärer med finkorniga subglaciala sediment, som i många Grönländska utloppsglacpräsers nedre delar. Det är svårare att studera direkt eftersom det kräver borrning ned till glaciärens botten och instrumentering.
Hastighetsvariation och surging
Flödeshastigheten varierar inte bara rumsligt (längs glaciärs längd och tvärsektion) utan också tidsmässigt. Säsongsvariationer är kopplade till smältvattentillgången: på sommaren, med högre smältvattenvroduktion, kan glaciärflödet öka mätbart. Snabba dreneringsändringar i subglaciala kanalsystem påverkar vattentrycket och därmed friktionen och glidhastigheten.
Surging glaciärer är ett fenomen där en glaciär periodvis genomgår dramatisk hastighetsökning — upp till tiofaldig eller mer — under kort tid (månader till år) och sedan återgår till normalt flöde. Mekanismen involverar troligen en instabilitet i det hydrologiska systemet vid bottnen, kopplat till ökad basalnivå av smältvatten. Svalbard har ovanligt hög täthet av surgande glaciärer; Bering Glacier i Alaska surgade på 1990-talet och avancerade dramatisk.
Is deformation vid sprickor
Isens beteende nära sprickorna är en kombination av plastisk och brittisk deformation. Under normalt tryck i den djupa glaciären är isen plastisk och deformerar utan att spricka. Men i de övre 30–50 metrarna, där trycket är lägre, kan isen bete sig mer sprött och sprickor kan propagera.
Stress-regimen i en glaciär bestämmer var och hur sprickor bildas. Extensional stress — när isen sträcks ut — skapar tensiosprickor vinkelrätt mot dragkraftens riktning. Shear stress vid glaciärens kanter skapar marginella sprickor. Kompressional stress vid ett inflöde där en snabb glaciär möter en trögare kan skapa isfall och seracter.
Fjärrmätning av isrörelser
Moderna satelliter med syntetisk apertur-radar och optisk utrustning kan mäta glaciärflödeshastigheter globalt med hög noggrannhet och temporalt upplösning. Satellites som Sentinel-1, Sentinel-2 och de historiska Landsat-bilderna möjliggör spårning av ytmärken från bild till bild och beräkning av hastigheter.
Dessa mätningar har dokumenterat dramatiska hastighetsstegringar i Grönlands och Antarktis snabbaste glaciärer under de senaste decennierna — hastigheter som förändras på tidskalor av år till decennier i respons på klimatsignaler. Jakobshavn Isbrae, ibland titulerat världens snabbaste glaciär, har uppmätts röra sig uppemot 40–46 meter per dag i perioder — ett av de högsta uppmätta värdena för en kontinentalt-baserad glaciär.