En la modelización climática , los modelos de capas de hielo utilizan métodos numéricos para simular la evolución, dinámica y 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 a lo largo de ciclos glaciales-interglaciares en el pasado hasta proyecciones de la decadencia de la capa de hielo en condiciones futuras de calentamiento global .
A mediados del siglo XVIII se inició la investigación sobre el comportamiento de las capas de hielo. [1] Desde la fundación del Journal of Glaciology , los físicos han estado publicando la mecánica glacial. [1]
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El primer modelo tridimensional 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 incorpora plataformas de hielo , transición de capa/plataforma, gradientes de tensión de membrana, ajuste del lecho isostático 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 equilibrio de masa superficial. [2] Cuando se publicó el segundo informe de evaluación del IPCC en 1996, se mostró el comienzo del modelado tanto 2D como 3D con capas de hielo. [2] La década de 1990 anunció varios modelos computacionales más, trayendo consigo la Iniciativa Europea de Modelado 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, los termomecánicos y la línea de puesta a tierra. [3]
La década de 2000 incluyó la integración de la aproximación de primer orden de la dinámica de Stokes completa en un modelo de 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 Capas de Hielo, que definió un protocolo para todas las variables relacionadas con la modelización de las capas de hielo. [4] El proyecto permitió mejorar los enfoques numéricos y físicos de las capas de hielo. [5]
La aproximación del hielo poco profundo (SIA) es un método sencillo 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-anchura, sin mucha dinámica de deslizamiento y con una topografía de lecho simple. [7] SIA no incluye muchas fuerzas sobre 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 mayor parte por la tensión transversal basal , y no es necesario considerar las otras fuerzas. [9] También se supone que la tensión de corte basal y la tensión de conducción gravitacional del hielo aterrizado 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 hielo flotante tipo membrana o de hielo deslizante sobre una base. [11] También conocidos como modelo de membrana, son similares a los modelos de película libre en dinámica de fluidos. [12] A diferencia de la aproximación del hielo poco profundo, la aproximación de la plataforma poco profunda modela el flujo de hielo cuando las fuerzas longitudinales son fuertes; Fuerzas deslizantes y verticales. [13] SSA también puede considerarse un modelo de "orden cero". [14]
Se considera ventajoso modelar el hielo utilizando las ecuaciones de Navier-Stokes, ya que el hielo es un fluido viscoso y éstas 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 coste computacional, no se utilizan fácilmente a gran escala y pueden usarse 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] Es necesario incluir todos estos componentes interactivos para poder tener un modelo completo de capa de hielo. [15]
Las condiciones basales juegan 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 masiva. [15] Para proyecciones a largo plazo, es importante proyectar la topografía en la plataforma continental o en los fiordos, y esto puede resultar difícil cuando la topografía subglacial no se conoce bien. [15]
La insolación del verano impulsa respuestas de temperatura que tienen un efecto en la tasa de fusión y el equilibrio 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 las tasas de derretimiento de la superficie y de escorrentía. [17] Por ejemplo, la temperatura del aire en 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 sigue siendo un área activa de investigación en el modelado de capas de hielo. [15] Una imagen total del desprendimiento incluirá muchos aspectos diferentes, incluidos, entre otros, mareas, grietas basales, colisiones con icebergs, espesor y temperatura. [18] El reciente desarrollo de los conceptos de inestabilidad de la capa de hielo marina e inestabilidad de los acantilados de hielo marinos ha contribuido a obtener resultados más precisos de los procesos de desprendimiento de la capa de hielo. [19]
El Modelo Comunitario de Capa de Hielo es parte del Modelo Comunitario de Sistemas Terrestres 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 Estados Unidos ha comenzado a contribuir al CISM. [21] El proyecto CISM trabaja en otros proyectos adyacentes en el desarrollo de un plan de estudios para ampliar el conocimiento sobre las capas de hielo e involucrar a una comunidad más amplia en el modelado de las capas de hielo. [21] Muchos softwares de modelado de capas de hielo han influido en el CISM, incluido el modelo paralelo de capas de hielo (PSIM) y Glimmer. [22] [23]
La respuesta del nivel del mar a la evolución de las capas de hielo (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 la modelización 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 paralelo de capa de hielo es un modelo de capa de hielo 3D de código abierto capaz de ofrecer 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", utilizando tanto los modelos de aproximación de plataforma poco profunda como de aproximación de hielo poco profundo como modelos de equilibrio de tensiones y no resuelve ecuaciones completas de Stokes. [26] El modelo obtiene información climática de un modelo de circulación general externo y necesita información como la temperatura límite, el flujo de masa hacia 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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