En la modelización climática , los modelos de las capas de hielo utilizan métodos numéricos para simular la evolución, la dinámica y la termodinámica de las capas de hielo , como la capa de hielo de Groenlandia , la capa de hielo de la Antártida o las grandes capas de hielo del hemisferio norte durante el último período glacial . Se utilizan para diversos fines, desde estudios de la glaciación de la Tierra durante los ciclos glaciales e interglaciales del pasado hasta proyecciones de la descomposición de las capas de hielo en condiciones futuras de calentamiento global .
A mediados del siglo XVIII se iniciaron las investigaciones sobre el comportamiento de las capas de hielo. [1] Desde la fundación del Journal of Glaciology , los físicos han estado publicando trabajos sobre mecánica glacial. [1]
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El primer modelo 3-D se aplicó a la capa de hielo de Barnes . [1] En 1988, se desarrolló y aplicó a la capa de hielo de la Antártida el primer modelo acoplado termodinámicamente que incorporaba plataformas de hielo , transición capa/plataforma, gradientes de tensión de membrana, ajuste isostático del lecho y deslizamiento basal utilizando técnicas numéricas más avanzadas . [1] Este modelo tenía una resolución de 40 km y 10 capas verticales. [1]
Cuando se publicó el primer informe de evaluación del IPCC en 1990, las capas de hielo no eran una parte activa del modelo del sistema climático, su evolución se basaba en una correlación entre la temperatura global y el balance de masa de la superficie. [2] Cuando se publicó el segundo informe de evaluación del IPCC en 1996, se mostró el comienzo de la modelización tanto 2D como 3D con capas de hielo. [2] La década de 1990 anunció varios modelos computacionales más, trayendo consigo la Iniciativa Europea de Modelización de Capas de Hielo (EISMINT). [1] [3] La EISMINT produjo varios talleres a lo largo de la década de 1990 de una colaboración internacional, comparando la mayoría de los modelos de Groenlandia, la Antártida, la plataforma de hielo, la termomecánica y la línea de base. [3]
En la década de 2000 se integró una aproximación de primer orden de la dinámica de Stokes completa en un modelo de la capa de hielo. [1] El cuarto informe de evaluación del IPCC mostró modelos de la capa de hielo con proyecciones de respuestas dinámicas rápidas en el hielo, lo que condujo a evidencia de una pérdida significativa de hielo. [2]
En 2016, parte de la Fase 6 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (Fase 6 del CMIP) fue el Proyecto de Intercomparación de Modelos de Capa de Hielo, que definió un protocolo para todas las variables relacionadas con el modelado de la capa de hielo. [4] El proyecto permitió mejorar tanto los enfoques numéricos como los físicos de las capas de hielo. [5]
La aproximación de hielo superficial (SIA) es un método simple para modelar el flujo de hielo sin tener que resolver ecuaciones de Stokes completas. [6] La aproximación se aplica mejor a capas de hielo con una pequeña relación profundidad-ancho, sin mucha dinámica de deslizamiento y una topografía de lecho simple. [7] La SIA no incluye muchas fuerzas en una capa de hielo y puede considerarse un modelo de "orden cero" . [8] El modelo supone que las capas de hielo están divididas en su mayoría por la tensión cortante basal y no es necesario considerar las otras fuerzas. [9] También supone que la tensión cortante basal y la tensión de conducción gravitacional del hielo en tierra se equilibran entre sí. [10] El método es computacionalmente económico. [9]
La aproximación de plataforma poco profunda es otro método para modelar el flujo de hielo, en particular un flujo de tipo membrana de hielo flotante o de hielo en contacto con el suelo que se desliza sobre una base. [11] También conocido como modelo de membrana, son similares a los modelos de película libre en dinámica de fluidos. [12] A diferencia de la aproximación de hielo poco profundo, la aproximación de plataforma poco profunda modela el flujo de hielo cuando las fuerzas longitudinales son fuertes; fuerzas de deslizamiento y verticales. [13] La SSA también puede considerarse un modelo de "orden cero". [14]
Se considera ventajoso modelar el hielo utilizando ecuaciones de Navier-Stokes , ya que el hielo es un fluido viscoso y estas capturan todas las fuerzas ejercidas sobre el hielo. [6] Como estas ecuaciones son computacionalmente costosas, es importante incluir muchas aproximaciones para reducir el tiempo de ejecución. [6] Debido a su costo computacional, no se utilizan fácilmente a gran escala y se pueden usar en secciones o escenarios específicos, como en líneas de puesta a tierra. [7]
Las capas de hielo interactúan con la atmósfera circundante, el océano y la tierra subglacial. [15] Todos estos componentes interactivos deben incluirse para poder tener un modelo completo de la capa de hielo. [15]
Las condiciones basales desempeñan un papel importante en la determinación del comportamiento de las capas de hielo. El estado térmico basal (si el hielo está descongelado o congelado) y la topografía basal son difíciles de cartografiar. [15] El método más favorecido es aplicar restricciones de conservación de masa. [15] Para las proyecciones a largo plazo, es importante proyectar la topografía sobre la plataforma continental o en los fiordos, y esto puede ser difícil cuando no se conoce bien la topografía subglacial. [15]
La insolación de verano genera respuestas de temperatura que tienen un efecto en la tasa de fusión y el balance de masa de la capa de hielo. [16] Por ejemplo, la dependencia del volumen de hielo de la insolación de verano se puede representar con , donde I es el volumen de hielo, es la tasa de cambio del volumen de hielo por unidad de tiempo, T es el tiempo de respuesta de la capa de hielo y S es la señal de insolación. [16]
La temperatura del aire es necesaria en un modelo ya que informa sobre las tasas de derretimiento y escorrentía de la superficie. [17] Por ejemplo, la temperatura del aire de la superficie se puede expresar con latitud 'lat', elevación de la superficie h y temperatura media para proporcionar una estimación de las temperaturas medias anuales: [17] . Este ejemplo supone que la superficie de la plataforma de hielo es tan fría como a 1000 m de altitud. [17]
La precipitación está directamente relacionada con la temperatura del aire y también depende de la humedad sobre y alrededor de la capa de hielo. [17] La precipitación juega un papel importante en el derretimiento y la acumulación de la capa de hielo. [17]
El desprendimiento de hielo sigue siendo un área activa de investigación en el modelado de las capas de hielo. [15] Una imagen total del desprendimiento incluirá muchos aspectos diferentes, incluidos, entre otros, las mareas, las grietas basales, las colisiones con icebergs, el espesor y la temperatura. [18] El desarrollo reciente de los conceptos de inestabilidad de la capa de hielo marino e inestabilidad de los acantilados de hielo marino han contribuido a obtener resultados más precisos de los procesos de desprendimiento de la capa de hielo. [19]
El Modelo de Capa de Hielo Comunitario es parte del Modelo de Sistemas Terrestres Comunitarios financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y modela la dinámica del hielo. [20] [21] Está escrito en Fortran 90 y es de código abierto . [20] El Departamento de Energía de los EE. UU. ha comenzado a contribuir al CISM. [21] El proyecto CISM trabaja en otros proyectos adyacentes para desarrollar un plan de estudios para expandir el conocimiento sobre las capas de hielo y hacer participar a una comunidad más amplia en el modelado de las capas de hielo. [21] Muchos programas de modelado de capas de hielo han influido en el CISM, incluido el Modelo de Capa de Hielo Paralelo (PSIM) y Glimmer. [22] [23]
Sea-level Response to Ice Sheet Evolution (SeaRISE) es una subcomunidad del CISM que se propone estimar el límite superior del aumento del nivel del mar a partir de las capas de hielo. [24] El proyecto se propone desarrollar un conjunto de experimentos y evaluaciones para el modelado de la capa de hielo y el aumento del nivel del mar, así como crear un conjunto de datos de entrada unificado para los modelos de la capa de hielo. [24]
Glimmer (GENIE Land Ice Model with Multiply-Enabled Regions) es un modelo de capa de hielo creado inicialmente para contribuir a un modelo más completo del sistema terrestre, GENIE. [25]
El modelo de capa de hielo paralela es un modelo de capa de hielo 3D de código abierto capaz de alta resolución. [26] PISM está escrito en C++ y Python, y toma archivos NetCDF como entrada para el modelo. [27] PISM utiliza un modelo "híbrido SIA+SSA", que utiliza tanto los modelos de aproximación de plataforma poco profunda como los de aproximación de hielo poco profundo como modelos de equilibrio de tensiones y no resuelve ecuaciones de Stokes completas. [26] El modelo obtiene información climática de un modelo de circulación general externo y necesita información como la temperatura límite, el flujo de masa en el hielo, la precipitación y la temperatura del aire. [28]
Se utiliza una cuadrícula horizontal de igual distancia, con un eje vertical variable, y se ejecuta en una escala de tiempo de un año. [29] [30]
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