Retakan Kecil, Dampak World: MIT Mengungkap Bagaimana Cacat Es Mikroskopis Membentuk Gletser

Gletser mengalir ke fjord di pantai barat daya Greenland. Sebuah studi baru oleh MIT memperkenalkan mannequin yang memetakan aliran gletser berdasarkan cacat es mikroskopis, menawarkan pandangan berbeda tentang dinamika gletser dan meningkatkan prediksi kenaikan permukaan laut dengan merinci variasi regional dalam sensitivitas es terhadap tekanan. Kredit: Meghana Ranganathan

Universitas Massachusetts Para peneliti telah mengembangkan mannequin baru untuk memprediksi aliran gletser dengan mempelajari cacat mikroskopis pada es, yang mengungkap variasi signifikan dalam cara es merespons tekanan lingkungan.

Mannequin ini membantu memprediksi laju kenaikan muka air laut dengan lebih baik dengan menangkap perilaku lapisan es yang terperinci, khususnya di Antartika, sehingga meningkatkan prediksi tentang perubahan muka air laut akibat iklim.

Aliran Gletser dan Kenaikan Muka Air Laut

Ketika mencair dan menyatu ke laut, gletser dan lapisan es meningkatkan permukaan air international pada tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya. Para ilmuwan memerlukan pemahaman yang lebih baik tentang seberapa cepat gletser mencair dan apa yang memengaruhi alirannya untuk memprediksi dan mempersiapkan diri menghadapi kenaikan permukaan laut di masa depan.

Kini, sebuah studi oleh ilmuwan MIT menawarkan gambaran baru tentang aliran gletser, berdasarkan deformasi mikroskopis pada es. Hasilnya menunjukkan bahwa aliran gletser sangat bergantung pada bagaimana cacat mikroskopis bergerak melalui es.

Para peneliti menemukan bahwa mereka dapat memperkirakan aliran gletser berdasarkan apakah es tersebut rentan terhadap cacat mikroskopis. Mereka menggunakan hubungan antara deformasi skala mikro dan makro untuk mengembangkan mannequin baru tentang bagaimana gletser mengalir. Dengan mannequin baru ini, mereka memetakan aliran es di lokasi-lokasi di Lapisan Es Antartika.

Aliran es melalui lembah dekat Ross Ice Shelf, Antartika. Kredit: Meghana Ranganathan

Menantang Kebijaksanaan Konvensional tentang Aliran Es

Bertentangan dengan anggapan konvensional, mereka menemukan bahwa lapisan es bukanlah sebuah monolit melainkan lebih bervariasi dalam hal tempat dan cara mengalirnya sebagai respons terhadap tekanan yang disebabkan oleh pemanasan. Studi ini “secara dramatis mengubah kondisi iklim di mana lapisan es laut menjadi tidak stabil dan mendorong laju kenaikan permukaan laut dengan cepat,” tulis para peneliti dalam makalah mereka.

“Studi ini benar-benar menunjukkan pengaruh proses skala mikro pada perilaku skala makro,” kata Meghana Ranganathan PhD '22, yang memimpin penelitian sebagai mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu Bumi, Atmosfer dan Planet (EAPS) MIT dan sekarang menjadi postdoc di Georgia Teknologi. “Mekanisme ini terjadi pada skala molekul air dan pada akhirnya dapat mempengaruhi stabilitas Lapisan Es Antartika Barat.”

“Secara umum, gletser semakin cepat, dan ada banyak varian di sekitarnya,” tambah rekan penulis dan Affiliate Professor EAPS, Brent Minchew. “Ini adalah studi pertama yang mengambil langkah dari laboratorium ke lapisan es dan mulai mengevaluasi stabilitas es di lingkungan alam. Hal ini pada akhirnya akan memperkuat pemahaman kita tentang kemungkinan terjadinya bencana kenaikan permukaan air laut.”

Studi Ranganathan dan Minchew baru-baru ini diterbitkan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.

Pergerakan Gletser dan Implikasi Permukaan Laut

Aliran gletser menggambarkan pergerakan es dari puncak gletser, atau bagian tengah lapisan es, turun ke tepian, di mana es tersebut kemudian pecah dan mencair ke lautan — suatu proses yang biasanya lambat dan seiring waktu berkontribusi terhadap peningkatan suhu. permukaan laut rata-rata dunia.

Dalam beberapa tahun terakhir, permukaan laut telah naik dengan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya, didorong oleh pemanasan international dan percepatan pencairan gletser dan lapisan es. Meskipun hilangnya es kutub diketahui sebagai kontributor utama kenaikan permukaan laut, hal itu juga merupakan ketidakpastian terbesar dalam membuat prediksi.

Menentukan Proses Mikrofisika Aliran Es

“Sebagian darinya adalah masalah skala,” jelas Ranganathan. “Banyak mekanisme mendasar yang menyebabkan es mengalir terjadi pada skala yang sangat kecil yang tidak dapat kita lihat. Kami ingin mengetahui dengan tepat proses mikrofisika apa saja yang mengatur aliran es, yang belum terwakili dalam mannequin perubahan permukaan laut.”

Studi baru tim ini didasarkan pada eksperimen sebelumnya yang dilakukan pada awal tahun 2000-an oleh ahli geologi di Universitas Minnesota, yang mempelajari bagaimana serpihan kecil es berubah bentuk ketika diberi tekanan dan tekanan fisik. Penelitian mereka mengungkapkan dua mekanisme mikroskopis yang menyebabkan es dapat mengalir: “dislokasi merayap,” di mana retakan berukuran molekul bermigrasi melalui es, dan “geseran batas butir,” di mana kristal es individu meluncur satu sama lain, menyebabkan batas di antara mereka bergerak. melalui es.

Para ahli geologi menemukan bahwa kepekaan es terhadap tekanan, atau seberapa besar kemungkinan es akan mengalir, bergantung pada mekanisme mana yang dominan. Secara khusus, es lebih peka terhadap tekanan ketika cacat mikroskopis terjadi melalui pergerakan dislokasi daripada pergeseran batas butir.

Ranganathan dan Minchew menyadari bahwa temuan pada tingkat mikroskopis ini dapat mendefinisikan kembali bagaimana es mengalir pada skala glasial yang jauh lebih besar.

“Mannequin kenaikan permukaan laut saat ini mengasumsikan nilai tunggal untuk sensitivitas es terhadap tekanan dan menjaga nilai ini konstan di seluruh lapisan es,” jelas Ranganathan. “Apa yang ditunjukkan oleh eksperimen ini adalah bahwa sebenarnya terdapat cukup banyak variabilitas dalam sensitivitas es, karena mekanisme mana yang berperan.”

Mannequin Baru untuk Memprediksi Aliran Gletser

Untuk studi baru mereka, tim MIT mengambil wawasan dari eksperimen sebelumnya dan mengembangkan mannequin untuk memperkirakan sensitivitas wilayah es terhadap tekanan, yang secara langsung berkaitan dengan seberapa besar kemungkinan es tersebut mengalir. Mannequin ini mengambil informasi seperti suhu sekitar, ukuran rata-rata kristal es, dan perkiraan massa es di wilayah tersebut, dan menghitung seberapa banyak es yang mengalami deformasi akibat mulur dislokasi versus geseran batas butir. Bergantung pada mekanisme mana yang dominan, mannequin tersebut kemudian memperkirakan sensitivitas wilayah terhadap stres.

Para ilmuwan memasukkan observasi aktual ke dalam mannequin dari berbagai lokasi di Lapisan Es Antartika, tempat ilmuwan lain sebelumnya mencatat information seperti ketinggian es setempat, ukuran kristal es, dan suhu lingkungan. Berdasarkan perkiraan mannequin, tim menghasilkan peta sensitivitas es terhadap tekanan di seluruh Lapisan Es Antartika. Ketika mereka membandingkan peta ini dengan pengukuran satelit dan lapangan yang dilakukan terhadap lapisan es dari waktu ke waktu, mereka mengamati kecocokan yang sangat dekat, menunjukkan bahwa mannequin tersebut dapat digunakan untuk secara akurat memprediksi bagaimana gletser dan lapisan es akan mengalir di masa depan.

Prediksi Masa Depan dan Dampak Perubahan Iklim

“Ketika perubahan iklim mulai menipiskan gletser, hal ini dapat mempengaruhi sensitivitas es terhadap tekanan,” kata Ranganathan. “Ketidakstabilan yang kami perkirakan di Antartika bisa sangat berbeda, dan kini kami dapat menangkap perbedaan tersebut dengan menggunakan mannequin ini.”

Referensi: “Hukum aliran viskos yang dimodifikasi untuk es gletser alami: Skala dari laboratorium ke lapisan es” oleh Meghana Ranganathan dan Brent Minchew, 30 Mei 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2309788121