A finite-strain logarithmic viscoelastic model for Antarctic ice shelves based on an additive split

ليست الحواف العائمة للكتل الجليدية الضخمة في القارة القطبية الجنوبية جدرانًا جليدية ثابتة؛ بل هي هياكل ديناميكية تتنفس، وتتحرك، وتنثني، وتتفكك في النهاية. هذه الامتدادات العائمة، المعروفة باسم الرفوف الجليدية، تعمل كدعامات حيوية تحجز خلفها الأنهار الجليدية الشاسعة. وعندما تنكسر، وهي عملية تسمى "التشظي"، فإنها تطلق جبالًا جليدية في المحيط، وهي وسيلة أساسية لفقدان هذه الكتل الجليدية لكتلتها. لعقود من الزمن، حاول العلماء التنبؤ بدقة بموعد ومكان حدوث هذا الانكسار. وللقيام بذلك، يعتمدون على نماذج حاسوبية تحاكي كيفية تحرك الجليد وتشوهه تحت وزنه وضغط المحيط. ومع ذلك، فقد عاملت هذه النماذج الجليد تقليديًا بإحدى طريقتين: إما كمادة صلبة ترتد فورًا عند دفعها (مرنة)، أو كسائل سميك يتحرك ببطء على مدى سنوات (لزج). وفي الواقع، تتعرض الرفوف الجليدية لقوى تؤثر على كلا المقياسين الزمنيين في آن واحد. فالمد والجزر وأمواج المحيط تدفع وتسحب الجليد على مدار ساعات، بينما يحدث الزحف البطيء للنهر الجليدي على مدى عقود. والنموذج الذي يتجاهل الارتداد السريع الشبيه بالزنبرك قد يغفل عن الشقوق التي تتشكل أثناء العاصفة، بينما النموذج الذي يتجاهل التدفق البطيء قد يفشل في التنبؤ بالشكل طويل الأمد للرف الجليدي.

ولحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين طريقة جديدة لمحاكاة سلوك هذه الرفوف الجليدية تلتقط كلاً من الارتداد السريع والتدفق البطيء في وقت واحد، حتى عندما يتغير شكل الجليد بشكل كبير بمرور الوقت. لقد أنشأوا إطارًا رياضيًا يعامل الجليد كمادة يمكنها التمدد والانثناء بطرق معقدة، ومع ذلك لا تزال تتذكر شكلها الأصلي. يسمح هذا النهج بتتبع كيفية استجابة الجليد للإجهاد الفوري للمد والجزر، مع مراعاة أيضًا التمدد البطيء الذي يحدث على مدى سنوات بين دورات المد والجزر. ومن خلال التركيز على الهندسة المحددة لحافة الرف الجليدي، حيث يلتقي بالمحيط المفتوح، وجدوا أن شكل المنحدر والطريقة التي يتكون بها الجليد في طبقات داخلية يلعبان دورًا حاسمًا في تحديد مكان احتمال تشقق الجليد. ويشير عملهم إلى أن التفاعل بين قدرة الجليد على الارتداد والنزعة لديه للتدفق ببطء يخلق نمطًا محددًا من التوتر بالقرب من المقدمة، وهو ما يتحكم في كيفية وتوقيت انفصال الجليد.

بنى الباحثون نموذجهم على مفهوم يسمى نظام "ماكسويل" (Maxwell)، وهو طريقة قياسية لوصف المواد التي تعمل مثل كل من الزنبرك والسائل السميك. تخيل زنبركًا متصلًا في خط مع مكبس يتحرك عبر العسل؛ إذا سحبت الاثنين، فسيتمط الزنبرك فورًا، بينما ينسحب العسل ببطء. في محاكاتهم، يمثل الزنبرك الاستجابة المرنة الفورية للجليد، بينما يمثل العسل التدفق اللزج الذي يتبع قانون "غلين" للتدفق، وهو قاعدة استُخدمت لفترة طويلة لوصف كيفية تحرك الجليد عبر القرون. يكمن الابتكار في هذه الدراسة في كيفية التعامل مع الرياضيات عندما يتمدد الجليد كثيرًا. فالنماذج السابقة كانت تعاني غالبًا عندما يتغير شكل الجليد بشكل كبير، مما يتطلب حسابات معقدة يصعب تشغيلها على أجهزة الكمبيوتر. يستخدم هذا النهج الجديد نوعًا محددًا من القياس يسمى "الانفعال اللوغاريتمي"، والذي يسمح للفريق بتقسيم الحركة الإجمالية للجليد إلى أجزيه المرن واللزج بطريقة مباشرة وإضافية. وهذا يعني أنه يمكنهم جمع نوعي الحركة معًا دون الحاجة إلى تتبع شكل "وسيط" غير مرئي للجليد، مما يجعل الحسابات أكثر كفاءة وأسهل في الدمج في نماذج المناخ الحالية.

لاختبار مدى نجاح طريقتهم الجديدة، قام الفريق أولاً بتشغيل محاكاة لعمود رأسي من الجليد يدعم وزنه الخاص، مقارنين نتائجهم بنموذج أكثر تعقيدًا ومعتمدًا. جاءت النتائج متطابقة تقريبًا؛ فبعد عام ونصف من الوقت المحاكى، توقع النموذج الجديد أن ينغمر الجليد وينتفخ بمقدار يختلف عن النموذج المعقد ببضعة سنتيمترات فقط. كما كانت مستويات الإجهاد داخل الجليد متطابقة تقريبًا، حيث اختلفت بأقل من كيلوباسكال واحد في معظم المناطق. وقد أكد هذا أن نهجهم المبسط والإضافي يمكنه إعادة إنتاج سلوك الجليد بدقة دون التكلفة الحسابية الثقيلة للطرق القديمة. ومع ذلك، كان الباحثون حذرين في تحديد المواضع التي قد تفشل فيها طريقتهم؛ فقد وجدوا أنه إذا تعرض الجليد لنوع معين من الحركة الالتوائية، المعروفة باسم "القص البسيط"، حيث تنزلق الطبقات فوق بعضها البعض مثل أوراق اللعب، فإن نموذجهم سيبدأ في الانحراف عن النموذج الأكثر تعقيدًا. في سيناريوهات الالتواء الشديدة هذه، سيتوقع نموذجهم أن الجليد سيفرغ الإجهاد أو يسترخي بسرعة كبيرة جدًا. ولحسن الحظ، حدد الباحثون أن الرفوف الجليدية التي يدرسونها لا تتعرض لهذا النوع من الالتواء الشديد، بل إن الجليد بالقرب من المقدمة يتعرض أساسًا للتمدد والانثناء بفعل الجاذبية والطفو، وهو نوع من الحركة يظل نموذجهم الجديد دقيقًا للغاية فيه.

بعد التحقق من النموذج، طبق الفريق نموذجه على "لسان جليدي" مثالي، وهو شريط طويل من الجليد يطفو على المحيط، لمعرفة كيف تؤثر الأشكال والخصائص الداخلية المختلفة على الإجهاد عند المقدمة. وقد تضمنوا تفاصيل واقعية، مثل حقيقة أن الجليد يكون أكثر كثافة في الأسفل منه في الأعلى بسبب الضغط، وأنه يتدفق بسهما إذا كان أكثر دفئًا. كما اختبروا أشكالًا مختلفة للمنحدر، بما في ذلك بعضها يحتوي على "قدم" جليدية مغمورة وبعضها الآخر ذو قاعدة مقعرة. وكشفت عمليات المحاكاة أن شكل المنحدر يغير بشكل دراماتيكي مكان تراكم التوتر؛ إذ يمكن للقدم المغمورة أن تعكس اتجاه الانثناء، مما يقلل من الإجهاد عند السطح ويجعل الجليد أكثر استقرارًا محتملًا. وعلى العكس من ذلك، فإن الوجه المقعر يركز التوتر وينقل نقطة الإجهاد الأكثر خطورة إلى الداخل. كما أظهرت الدراسة أن الاختلافات في درجة الحرارة والكثافة عبر سمك الجليد تخلق قوى انثناء داخلية خاصة بها، بشكل مستقل عن شكل المنحدر. تسلط هذه النتائج الضوء على أن خطر التشظي لا يتعلق فقط بالوزن الإجمالي للجليد، بل بالتوازن الدقيق للقوى الناتجة عن هندسة الجليد وبنيته الداخلية.

الهدف النهائي لهذا البحث هو توفير أداة أكثر موثوقية للتنبؤ بمستقبل الرفوف الجليدية في القارة القطبية الجنوبية. ومن خلال التقاط الاستجابة المرنة السريعة للمد والجزر والأمواج والزحف اللزوي البطيء على مدى سنوات، يقدم هذا النموذج الجديد صورة أوضح لمجالات الإجهاد التي تؤدي إلى التشظي. ويؤكد الباحثون أنه بينما لا تعد طريقتهم بديلاً عالميًا لجميع أنواع نمذجة الجليد، إلا أنها مناسبة تمامًا للظروف المحددة الموجودة عند حواف الرفوف الجليدية. فهي تسمح للعلماء بمحاكاة التغيرات المعقدة والمحدودة في شكل الجليد على مدى عقود دون فقدان القدرة على رؤية الآثار الفورية للأحداث قصيرة المدى. وهذه القدرة أمر بالغ الأهمية لفهم كيفية تفاعل الرفوف الجليدية مع المناخ المتغير، حيث يمكن لتكرار العواصف ومعدل ارتفاع حرارة المحيط أن يغيرا التوازن الدقيق للقوى التي تمسك هذه الهياكل الضخمة معًا. لا يدعي العمل حل لغز التشظي بالكامل، ولكنه يوفر طريقة قوية وفعالة ومتسقة فيزيائيًا لاستكشاف ميكانيكا مقدمة الجليد، مما يوفر رؤية أوضح للقوى التي تدفع انكسار الجليد.