麻省理工學院的研究人員透過研究冰的微觀缺陷，發展出一種預測冰川流動的新模型，揭示了冰在應對環境壓力時的顯著變化。該模型透過捕捉冰原（尤其是南極洲的冰原）的細微行為，有助於更好地預測海平面上升的速度，從而加強對氣候驅動的海平面變化的預測。

一條冰川流入格陵蘭島西南海岸的峽灣。麻省理工學院的一項新研究介紹了一種基於微觀冰缺陷繪製冰川流動圖的模型，透過詳細描述冰川對壓力敏感性的區域變化，提供了冰川動力學的細微視角，並改進了海平面上升的預測。資料來源：Meghana Ranganathan

冰河流與海平面上升

隨著冰川和冰蓋的融化和入海，全球水位正以前所未有的速度上升。科學家需要更了解冰川融化的速度以及影響冰川流動的因素，以便預測未來海平面上升的情況並做好準備。

現在，麻省理工學院科學家的一項研究根據冰的微觀變形，為冰川流動提供了新的圖像。研究結果表明，冰川的流動在很大程度上取決於微觀缺陷如何在冰層中移動。

研究人員發現，他們可以根據冰川是否容易出現某種微觀缺陷來估計冰川的流動。他們利用這種微觀和宏觀變形之間的關係，建立了冰川流動的新模型。利用這個新模型，他們繪製了南極冰原上各個地點的冰流圖。

穿過南極洲羅斯冰架附近山谷的冰流。圖片來源：Meghana Ranganathan

挑戰冰流的傳統觀點

他們發現，與傳統觀點相反，冰原並不是一個整體，相反，它在應對氣候變暖壓力時的流動地點和方式更加多樣化。研究人員在論文中寫道，這項研究”極大地改變了海洋冰原可能變得不穩定並導致海平面快速上升的氣候條件”。

Meghana Ranganathan 博士說：「這項研究真正展示了微觀過程對宏觀行為的影響。這些機制發生在水分子的尺度上，最終會影響南極西部冰蓋的穩定性」。她是麻省理工學院地球、大氣和行星科學系（EAPS）的研究生，現在是喬治亞理工學院的博士後。

共同作者、EAPS 副教授Brent Minchew 補充說：”廣義上講，冰川正在加速，圍繞這一點有很多變數。這是第一項從實驗室到冰原的研究，開始評估自然環境中冰的穩定性。這一點最終將有助於我們了解災難性海平面上升的機率。

Ranganathan 和Minchew 的研究最近發表在《美國國家科學院院刊》。

冰川運動與海平面影響

冰川流動是指冰從冰川的頂峰或冰原的中心向下移動到邊緣，然後冰在邊緣斷裂並融化到海洋中的過程–這個過程通常很緩慢，但隨著時間的推移，會導致世界平均海平面上升。

近年來，在全球暖化以及冰川和冰原加速融化的推動下，海洋以前所未有的速度上升。眾所周知，極地冰川的消失是造成海平面上升的主要原因，但這也是預測時最大的不確定因素。

“部分原因是規模問題，”Ranganathan 解釋說。 “許多導致冰流動的基本機制都發生在我們無法看到的非常小的尺度上。我們想準確地確定這些支配冰流的微物理過程是什麼，而海平面變化模型中還沒有體現出這些微物理過程。

明尼蘇達大學的地質學家在2000 年代初期進行了實驗，研究了小塊冰在受到物理壓力和壓縮時如何變形。他們的研究揭示了冰流動的兩種微觀機制：一種是”位錯蠕變”，即分子大小的裂縫在冰中移動；另一種是”晶界滑動”，即單個冰晶相互滑動，導致它們之間的邊界在冰中移動。

地質學家發現，冰對應力的敏感性，或者說冰流動的可能性，取決於兩種機制中哪一種占主導地位。具體來說，當微觀缺陷是透過位錯蠕變而不是晶界滑動產生時，冰對應力更敏感。

蘭加納坦和明切意識到，這些微觀層面的發現可以重新定義冰川尺度較大的冰流方式。他們解釋說：”目前的海平面上升模型假定冰對壓力的敏感性只有一個值，並且在整個冰原上保持這個值不變。”這些實驗表明，實際上，由於這些機制中的哪一種在起作用，冰的敏感性存在著相當大的變異性”。

預測冰川流動的新模型

在新的研究中，麻省理工學院的研究團隊從先前的實驗中汲取靈感，建立了一個模型來估算冰區對應力的敏感度，這直接關係到冰流動的可能性。該模型吸收了環境溫度、冰晶平均大小和該區域冰的估計質量等信息，併計算出冰通過位錯蠕變和晶界滑動發生變形的程度。根據這兩種機制中哪一種占主導地位，模型就能估算出該區域對應力的敏感度。

科學家將從南極冰原上不同地點觀測到的實際數據輸入到模型中，其他科學家先前在這些地點記錄了當地的冰層高度、冰晶大小和環境溫度等數據。根據模型的估計，研究小組繪製了南極冰原上冰對壓力的敏感度地圖。當他們將該地圖與衛星和實地對冰原的長期測量結果進行比較時，發現兩者非常吻合，這表明該模型可用於準確預測冰川和冰原在未來的流動情況。

“隨著氣候變遷使冰川開始變薄，這可能會影響冰對壓力的敏感性，”Ranganathan 說。 “我們預期南極洲的不穩定性可能會非常不同，我們現在可以利用這個模型來捕捉這些差異。”

編譯自/ scitechdaily