Glaciers: Tortoise or Hare?

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ERIC: From the Museum of Science, Boston, this is Pulsar, a podcast where we answer questions from you, our audience. I'm your host, Eric. Later this year, the Museum of Science will open a new exhibition called Arctic Adventure, Exploring with Technology. In Arctic Adventure, visitors will be transported to an Arctic setting, where they will investigate their surroundings using simulated tools and technologies.

Our guest today is one of the exhibition science advisors, Brent Minchew, an assistant professor and geophysicist at MIT, who leads the glacier dynamics and remote sensing group. Brent, thanks so much for talking to us today.

BRENT: Yeah, thanks for having me here.

ERIC: So let's start with hearing from an expert. What exactly is a glacier?

BRENT: A glacier is a river of ice. So glaciers form as snowfall accumulates at high elevation. That snow is eventually compacted into ice. And then that ice flows as a viscous fluid, much like syrup or honey. It flows under its own weight. Eventually, it'll get to a lower elevation, where the ice mass is ultimately lost, either by melting off the top or the bottom or calving into icebergs, and then float away and melt elsewhere in the ocean.

Glaciers are also primary reservoirs of fresh water in the Earth. So the vast majority of Earth's fresh water is contained in the glaciers, and particularly the large ice sheets in Greenland and Antarctica. Glaciers are also an important source of minerals to the marine environment. So glaciers, because they're primary agents of erosion, they also churn up and they transport a lot of minerals to the ocean.

And when those minerals are sprinkled out, then they allow for very productive ecosystems. So these minerals can sustain plankton colonies, which then work their way up through the food chain, all the way up to various charismatic megafaunas, penguins and whales and seals, so on.

ERIC: We got a lot of questions from our listeners about this topic. And almost all of them focused on climate change in one way or another. So can you tell us how that is affecting glaciers?

BRENT: The majority of glaciers are shrinking. That is that they're losing mass due to warming of the climate. A few glaciers appear to be gaining a little bit of mass, perhaps advancing for a variety of reasons, mostly because they're sensitive to their regional climate.

And glaciers also have relatively long memories. So they're still responding to major changes that may have occurred in the past decades or centuries. But overall, the picture seems quite clear that the majority of glaciers, at least, are retreating and losing mass, in many cases, at an accelerating rate.

ERIC: So how do we know this? How do you study glaciers? Do you go out and take its temperature?

BRENT: So a variety of instruments are used. These can broadly be grouped into two categories. In situ observations, these are observations that people make by actually going out on the ice, setting out instruments to measure the local weather.

Instruments that measure the solar radiation incident on the surface of the glacier. Instruments that measure, directly, melt in a very specific area. Some people drill boreholes to take the temperature of the glacier, as you mentioned before, and to look at how water flows underneath the glaciers. The other broad category of instruments that we use are remote sensing observations.

So these will range from drones that can fly over and take high-resolution imagery in an area, all the way up to satellites. They use a variety of instruments. They range from cameras to radar sensors to laser altimeters. And then satellites that measure changes in gravity as well. And so this is classic satellite that gives us something close to a direct observation of the changes in the mass, it allows us to effectively weigh the ice sheets in the glaciers and see how much mass they're losing.

And then we can use other instruments, for example, the laser rangefinders on satellites, to measure how the surface is drawn down. The decrease in the surface elevation of the glaciers tells us a lot about the loss of the mass. And then we can also use radar and optical imagery from satellites in order to measure the speed of the glacier.

So how the glaciers are flowing and how that velocity is changing over time in response to a variety of environmental forces.

ERIC: So we tend to think of glaciers as changing on the scale of thousands of years. But your research focuses on how they can change on much shorter timescales as quick as ours.

BRENT: Yeah, so glaciers are surprisingly dynamic. And that's been one of the major breakthroughs in the field over the past few decades or so, is this realization of how glaciers can change over very short timescales. So what we tend to do in our research group is, we tend to focus on very short timescale forcings.

For example, changes in the ocean tides, changes in seasonal melt, changes in seasonal patterns of calving of icebergs, and so on. And we look at how those changes are able to propagate through the glaciers and how the glaciers respond to these short-term forcings. And that gives us some insight, basically, into the aspects of the glacier that we can't see, how glaciers are sliding along their beds, the viscous properties of the ice, and so on.

And all of these factors are very important for plugging into models that give us some sense of how the glaciers are gonna change over the coming decades or centuries.

ERIC: So climate change is affecting glaciers in lots of different, subtle, complex ways. And your research is really trying to piece apart what those are.

BRENT: So it's not just rising temperatures that cause glaciers to lose mass and to contribute to sea level rise over time. And a particularly interesting example of this takes place in West Antarctica. So in Antarctica, it is still remains relatively cold. So the direct melt from the warming atmosphere is a small contributor to the total mass loss in Antarctica.

What's really driving mass loss in Antarctica, we believe, are the changes in temperature of seawater next to the ice sheet itself. And the way this works is that, as climate changes, we expect to see changes in the westerly winds that surround Antarctica. And this changes how the winds pump warm, deep water toward the ice sheet itself.

And when that warm, deep water comes into contact with the base of the ice, that ice starts to melt. It thins the floating sections, known as ice shelves, that have some back stress to prevent the seaward flow of ice. And it also retreats the grounding line as the boundary between the grounded and the floating ice.

And by doing that, it increases the amount of ice mass that has moved from the grounded ice to the ocean. And that's where we get our sea-level contribution. So even though the direct melting from the atmosphere is relatively small in Antarctica, we still see this high sensitivity to changes in climate through the ocean.

ERIC: Now, there aren't really any glaciers where you can hop in your car at MIT and then get there in an hour to study them up close. So Karen wants to know, have you been to any glaciers up close? Have you traveled around the world to study them?

BRENT: A little bit, yeah, but most of our work focuses on using satellite data along with physical models. We're very interested in using the data to try to better understand the physics of glaciers, the physics of ice flow. But I have had a few occasions to do some fieldwork, primarily in Iceland.

We had the opportunities to go up on some of the ice caps there, set out GPS stations, set out a variety of instruments I referred to you before, to take very precise measurements of ice flow and the local weather conditions on the glacier, in order to connect those with our remote sensing observations that we took from aircraft and satellites.

But certainly, people who study glaciers spend a tremendous amount of time in the field. So a lot of my friends will spend months out of the years down in Antarctica, taking a variety of measurements. In fact, this year, some folks that I know, they drilled a hole through one of the floating sections of Antarctica.

And they dropped a robot down there. And they drove that robot very close to the grounding line, this really critical interface. It's essentially the point at which ice starts to go afloat. So upstream of the grounding line, the ice is grounded. It's resting on the seafloor. And then downstream of the grounding line, the ice has gone afloat.

That boundary is particularly important because, especially in Antarctica, it's the amount of ice that crosses that boundary that determines the rate of sea level rise that we have from the continent. And so understanding the conditions in the ocean at the grounding line, understanding how much ice is being delivered, how much ice is being melted at the grounding line, is absolutely key to understanding how Antarctica, and particularly the West Antarctic ice sheet, is going to respond to climate change in the coming decades and centuries.

ERIC: Well, Brent, thanks so much for talking to us today about your research on glaciers.

BRENT: Yeah, thanks so much for having me.

ERIC: If you'd like to have one of your questions answered by a visiting expert or a Museum of Science educator, you can email them to sciencequestions@mos.org.

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Español

ERIC: Desde el Museo de Ciencias de Boston, esto es Pulsar, un podcast donde respondemos a las preguntas de nuestra audiencia. Soy su presentador, Eric. A finales de este año, el museo abrirá una nueva exposición llamada Aventura ártica, Explorando con tecnología. En Aventura ártica, los visitantes serán trasladados a un escenario ártico, donde investigarán sus alrededores empleando herramientas y tecnologías de simulación.

Nuestro invitado del día de hoy es uno de los asesores científicos de la exposición, Brent Minchew, profesor asistente y geofísico en el MIT, quien lidera el grupo de dinámica de glaciares y detección remota. Brent, gracias por estar con nosotros el día de hoy.

BRENT: Gracias por invitarme.

ERIC: Comencemos por escuchar al experto. ¿Qué es exactamente un glaciar?

BRENT: Un glaciar es un río de hielo. Los glaciares se forman a medida que la nieve se acumula a gran altura. Esa nieve acaba por compactarse como hielo. Y luego ese hielo fluye como un fluido viscoso, como el jarabe o la miel. Fluye bajo su propio peso.

Finalmente, llegará a una menor altura, donde la masa de hielo acaba por desaparecer, ya sea por el derretimiento de la parte superior o inferior o por la formación de icebergs, luego se va flotando y se derrite en otra parte del océano. Los glaciares son también los principales reservorios de agua dulce de la Tierra.

La mayoría del agua dulce de la Tierra está almacenada en los glaciares, particularmente en las grandes capas de hielo en Groenlandia y en la Antártida. Los glaciares son también una fuente importante de minerales para el ecosistema marino. Así que los glaciares, debido a que son los principales agentes de erosión, también se revuelven y transportan muchos minerales al océano.

Y cuando esos minerales se esparcen, favorecen el enriquecimiento de los ecosistemas. Estos minerales pueden nutrir colonias de plancton, que luego se abren camino a través de la cadena alimenticia hasta llegar a megafaunas carismáticas, como pingüinos, ballenas y focas, entre otras.

ERIC: Tenemos muchas preguntas de nuestros oyentes sobre este tema y casi todos hacen énfasis en el cambio climático de una manera u otra.

¿Podría contarnos cómo está afectando eso a los glaciares?

BRENT: La mayoría de los glaciares se están reduciendo. Es decir que están perdiendo masa debido al calentamiento del clima. Parece que unos pocos glaciares están aumentando su masa, quizá mejorando por una serie de razones, principalmente porque son sensibles al clima de su región.

Y los glaciares también tienen una memoria relativamente amplia. Todavía están respondiendo a grandes cambios que ocurrieron en las últimas décadas o siglos. Pero sobre todo, está bastante claro que la mayoría de glaciares, ven disminuir y perder su masa, en muchos casos, a un ritmo acelerado.

ERIC: ¿Y cómo se sabe esto? ¿Cómo estudian los glaciares? ¿Van y toman su temperatura?

BRENT: Se emplea un conjunto de instrumentos que se pueden agrupar en dos categorías. Observaciones in situ, esas son observaciones que la gente hace yendo al hielo e instalando los instrumentos para evaluar el clima local, instrumentos que miden la incidencia de la radiación solar sobre la superficie del glaciar.

Instrumentos que miden directamente el derretimiento en una área específica. Algunas personas perforan agujeros para tomar la temperatura del glaciar, como mencionó usted anteriormente, y para observar cómo fluye el agua por debajo de los glaciares. La otra categoría de instrumentos que empleamos son las observaciones de detección remota. Estos van desde drones que sobrevuelan y toman imágenes de alta resolución en un área, hasta satélites.

Se usan una amplia variedad de instrumentos. Van desde cámaras a sensores de radar, altímetros láser. Y luego satélites que miden los cambios en la gravedad. El satélite nos da algo parecido a una observación directa de los cambios en la masa, nos permite calcular el peso de las capas de hielo en los glaciares y ver cuánta masa están perdiendo.

Y luego podemos usar otros instrumentos, por ejemplo, los telémetros láser en los satélites para medir cómo se derrite la superficie. La disminución de la altura de la superficie de los glaciares nos dice mucho sobre la pérdida de masa. Y también podemos usar imágenes obtenidas por los satélites para medir la velocidad del glaciar, cómo están fluyendo los glaciares y cómo la velocidad está cambiando con el tiempo en respuesta a un conjunto determinado de condiciones ambientales.

ERIC: Solemos pensar que los glaciares cambian en períodos de miles de años. Pero su investigación se centra en cómo pueden cambiar en períodos mucho más cortos, tan rápidos como horas.

BRENT: Sí, los glaciares son increíblemente dinámicos. Y ese ha sido uno de los principales descubrimientos hechos sobre el terreno en las últimas décadas, darnos cuenta de cómo los glaciares pueden cambiar en cortos períodos de tiempo.

Lo que solemos hacer en nuestro grupo de investigación es que nos centramos en cambios que ocurren en cortos períodos de tiempo. Por ejemplo, cambios en las mareas oceánicas, cambios en el deshielo estacional, cambios en los patrones estacionales de desprendimiento de icebergs, entre otros. Y vemos cómo esos cambios pueden propagarse en los glaciares, y en cómo los glaciares responden a estos cambios a corto plazo.

Y eso nos da una idea básica sobre aspectos del glaciar que no podemos ver, cómo se deslizan los glaciares sobre sus lechos, o las propiedades viscosas del hielo, entre otros. Y todos estos factores son muy importantes para comprender los modelos que nos dan una idea de cómo los glaciares cambiarán en las próximas décadas o siglos.

ERIC: El cambio climático está afectando entonces a los glaciares de formas diferentes y complejas. Y su investigación está tratando de descifrar cuáles son.

BRENT: No es solo el aumento de las temperaturas lo que causa la pérdida de masa de los glaciares y que contribuye al aumento del nivel del mar con el tiempo.

Y un ejemplo particularmente interesante de esto ocurre en la Antártida Occidental. La Antártida sigue teniendo una temperatura relativamente baja. El derretimiento directo por calentamiento de la atmósfera es un factor pequeño de la pérdida total de masa de la Antártida. Creemos que lo que está originando la pérdida de masa en la Antártida, son los cambios en la temperatura del mar alrededor de la propia capa de hielo.

Y la manera como esto funciona es, a medida que el clima cambia, esperamos ver cambios en los vientos del oeste que rodean la Antártida. Y esto cambia la forma en que los vientos bombean el agua caliente y profunda hacia la propia capa de hielo. Y cuando esa agua caliente y profunda entra en contacto con la base del hielo, ese hielo se comienza a derretir.

Reduce las secciones flotantes, conocidas como plataformas de hielo, que son las que dificultan el flujo de hielo hacia el mar. Y también hace retraer la línea de apoyo como límite entre el hielo fijo y el hielo flotante. De esta forma, aumenta la cantidad de masa de hielo que se ha trasladado del hielo fijo al océano.

Y de ahí es donde obtenemos la cifra de aportación al nivel del mar. Y aunque el derretimiento directo debido a la atmósfera es relativamente bajo en la Antártida, todavía vemos esta alta sensibilidad a los cambios climáticos a través del océano.

ERIC: Así que no hay ningún glaciar al que se pueda llegar en carro en una hora desde el MIT para estudiarlo de cerca.

Karen quiere saber, ¿ha estado en algún glaciar? ¿Ha viajado por el mundo para estudiarlos?

BRENT: Sí, un poco, pero la mayor parte de nuestro trabajo se basa en usar datos de satélite junto con modelos físicos. Queremos usar los datos para tratar de entender mejor la física de los glaciares, la física del flujo de hielo.

Pero he tenido algunas ocasiones de hacer trabajo de campo, principalmente en Islandia. Tuvimos la oportunidad de subir a algunos casquetes glaciares, instalar las estaciones GPS, instalar los instrumentos que mencioné anteriormente, para tomar mediciones precisas del flujo de hielo y de las condiciones climáticas locales en el glaciar, para poder vincularlas con nuestras observaciones de teledetección tomadas desde aviones y satélites.

Pero sin duda, los que estudian los glaciares pasan mucho tiempo sobre el terreno. Muchos de mis amigos han pasado meses en la Antártida, tomando mediciones. De hecho, este año, algunos amigos perforaron un agujero en uno de las secciones flotantes de la Antártida. Lanzaron un robot allá. Y condujeron ese robot casi hasta la línea de apoyo, esta franja tan crítica.
 

Es básicamente el punto donde el hielo comienza a flotar. Así que arriba de la línea de apoyo, el hielo se apoya a tierra, reposa sobre el lecho marino. Y abajo de la línea de apoyo, el hielo ha comenzado a flotar. Ese límite es particularmente importante porque, especialmente en la Antártida, es la cantidad de hielo que cruza ese límite la que determina el ritmo del aumento del nivel del mar que tenemos del continente.
Así que entender las condiciones del océano en la línea de apoyo, saber cuánto hielo está pasando, cuánto hielo se está derritiendo en la línea de apoyo es imprescindible para entender cómo la Antártida, y particularmente la capa de hielo de la Antártida Occidental va a responder al cambio climático en las próximas décadas y siglos.

ERIC: Brent, muchas gracias por conversar el día de hoy con nosotros acerca de su investigación sobre los glaciares.

BRENT: Sí, muchas gracias por invitarme.

ERIC: Si quisiera que uno de nuestros expertos o educadores del museo respondan a sus preguntas, puede enviarlas a sciencequestions@mos.org. Si le gustó este episodio de Pulsar, no olvide suscribirse en la aplicación Apple Podcasts o en Spotify, así como calificarnos o publicar una reseña.

Y eso fue todo en este episodio de Pulsar. Nos vemos pronto.