Может ли «ледяной вулкан» помочь восстановить морской лед?

В рамках своего проекта четвертого курса студентка инженерного факультета Кэти Картлидж (2018 г.) оценила, позволяет ли проект, известный как «ледяной вулкан», восстановить арктический морской лед.

Кэти использовала теоретическое моделирование и экспериментальный анализ, чтобы оценить осуществимость и чувствительность «ледяного вулкана» к окружающей среде в то время, когда арктический летний морской лед сокращается с угрожающей скоростью из-за изменения климата.

Ученые говорят, что если нынешние темпы таяния льда сохранятся, в течение следующего десятилетия в Арктике будет лето безо льда.

Арктический морской лед имеет множество преимуществ, таких как:

Этот метод предполагает перекачку морской воды через плавучий конический буй, где она затем замерзает в холодной арктической атмосфере, образуя растущий конус льда. Труба с прорезями позволяет перекачивать воду выше по мере накопления льда. Ученые говорят, что после достижения высоты в три метра вновь образовавшийся лед, скорее всего, переживет летний сезон таяния и станет ценным «многолетним льдом», пережившим как минимум два летних таяния. Это желательный результат: более толстый и прочный многолетний лед, присутствующий летом, принося свои преимущества круглый год. В рамках проекта под названием «Утолщение льда – восстановление климата» исследовалось использование метода «ледяного вулкана» для увеличения производства морского льда в Арктике зимой.

«Значимым преимуществом «ледяного вулкана» по сравнению с другими предлагаемыми геоинженерными проектами является то, что он просто усиливает естественную деятельность и не привносит в окружающую среду никаких незнакомых химикатов или процессов», — Кэти Картлидж.

Кэти разработала упрощенную двумерную модель для прогнозирования поведения «ледяного вулкана» для пресной воды при температуре замерзания, а также для пресной воды при температуре выше точки замерзания. Затем последовал экспериментальный анализ с использованием узкого канала, отображаемого на двумерной модели. Эксперименты проводились в морозильной камере с температурой –18°С. Вода различной температуры и солености (пресная вода и вода с соленостью арктической морской воды) прокачивалась через канал поверх слоя холодного «первородного льда» и позволяла замерзнуть или вызвать таяние. Затем было рассчитано полученное изменение толщины льда.

Схема «ледяного вулкана». Морская вода перекачивается снизу на плавучий буй, где она затем замерзает, образуя конический «вулкан». Труба с прорезями позволяет перекачивать воду выше по мере накопления льда. Вертикальный масштаб преувеличен. Фото: Кэти Картлидж.

И теоретически, и экспериментально результаты были многообещающими для воды при температуре ее замерзания: лед образовывался легко и равномерно по всему каналу, что указывает на то, что «ледяной вулкан» может быть успешным и однородным. Экспериментальное нарастание льда превысило теоретические прогнозы как для пресной, так и для соленой воды, возможно, из-за тепловых потоков из воздуха, которые не учитывались в модели.

Однако результаты были менее обнадеживающими для воды, поступающей в канал при температуре выше точки замерзания. Было обнаружено, что это приводит к значительной потере льда вблизи входного отверстия даже для воды, температура которой всего на несколько градусов превышает температуру замерзания, хотя лед все равно образуется дальше по каналу. В контексте «ледяного вулкана» это означает, что область льда, окружающая трубу, может быть полностью разрушена в течение нескольких часов, образуя «ледяной пончик», если только вода не находится в очень узком диапазоне температуры замерзания.

«Такой узкий диапазон приемлемой температуры воды создает проблемы с эксплуатацией», — сказала Кэти. «При определенных температурах «ледяной вулкан» может даже растопить больше льда, чем он создает, что делает его совершенно невозможным и контрпродуктивным».

Представляем ситуацию, когда вода попадает при температуре, превышающей температуру таяния льда. Лед вокруг трубы разрушается, образуя форму пончика. Фото: Кэти Картлидж.

«Это благотворно влияет на ледяной вулкан, потому что, если лед тает при более высокой температуре, чем замерзает вода, вода может быть выше температуры замерзания и все равно не растопить лед, увеличивая диапазон рабочих температур», — сказала Кэти. . «Однако, если бы соленая вода была достаточно теплой, она все равно вызвала бы катастрофические потери льда, описанные выше, и сделала бы ледяной вулкан неэффективным». Экспериментальный анализ был также распространен на соленую воду, которая имела некоторые заметные различия, в том числе температуру плавления выше, чем температура замерзания самой соленой воды. Присутствие соли изменяет термические свойства воды.