Морской лёд в Арктике играет важную роль в регулировании климата нашей планеты, отражая солнечные лучи. Однако современные климатические модели сильно расходятся в прогнозах сокращения морского льда. Исследователи выявили физический процесс, который отсутствовал в этих моделях: изменение структуры материала морского льда с возрастом.
Их лабораторные эксперименты показывают, что соль, вытесняемая из молодого льда, со временем уменьшает его пористость. Это, в свою очередь, влияет на поток жидкости, теплообмен и другие процессы, влияющие на таяние льда.
Прогнозирование климата
Прогностическая сила глобальной климатической модели зависит от того, насколько точно она представляет мелкомасштабные процессы, которые могут влиять на атмосферу и океан в целом. Изменения в морском льду представляют собой один из таких мелкомасштабных факторов. Плавающие льдины отражают солнечный свет, поэтому океан поглощает меньше солнечной энергии. Но в порочном круге тающий лёд обнажает больше океана, который, в свою очередь, поглощает больше тепла, вызывая дальнейшее таяние. Скорость таяния зависит от нескольких факторов, включая солёность и пористость. Однако в климатических моделях отсутствует механистическое описание того, как эти процессы взаимодействуют друг с другом.
«Поэтому так важно детально понять, как лёд взаимодействует с потоками солёной воды», — говорит Фэн Ван из Университета Цинхуа в Китае.
Потеря соли и структура льда
Известно, что морской лёд теряет содержание соли при замерзании, в результате чего более плотная и солёная вода занимает небольшие карманы (поры) в молодом льду — процесс, известный как вытеснение рассола. Лабораторные исследования изучали влияние вытеснения рассола на структуру льда и формирование пор, но эти более ранние эксперименты обычно длились менее недели.
Ван и его коллеги провели эксперимент, который длился почти месяц и был сосредоточен на изменениях солёности. «Такая беспрецедентная продолжительность позволяет нам определить временную шкалу диффузии соли, которая контролирует медленную эволюцию пористости льда», — говорит Ван.
Исследователи начали с прямоугольного резервуара размером 24 × 12 × 6 см³, заполненного солевым раствором, солёность которого была близка к солёности морской воды. Боковые стенки резервуара были термостатированы: левая стенка поддерживалась при температуре ниже точки замерзания, а правая — при постоянной температуре выше точки замерзания. Эта конфигурация сразу же установила конвективный поток, который направлял тёплую жидкость к холодной стенке, где образовывался слой льда. Камеры и датчики солёности непрерывно отслеживали процесс замерзания.
Сопоставляя синхронизированные измерения морфологии льда, солёности и пористости, исследователи реконструировали полный жизненный цикл ледяного слоя. После относительно быстрой фазы роста льда, которая произошла в первые три дня, Ван и его коллеги ожидали, что система стабилизируется и «просто будет там». Но в течение следующих двух недель команда наблюдала, что слой льда изменил форму, сохраняя при этом ту же среднюю толщину. Лёд также стал заметно более прозрачным — менее пористым — по мере увеличения солёности окружающей жидкости, что заставило исследователей предположить, что эволюция льда зависит от опреснения.
Моделирование движения поры
Чтобы лучше понять эту эволюцию, исследователи сначала смоделировали движение одиночной поры, заполненной рассолом, внутри льда. Из-за температурного градиента в льду одна сторона поры холоднее другой. Рассол замерзает с более холодной стороны, увеличивая солёность вблизи фронта замерзания. Затем соль диффундирует к более тёплой стороне, вызывая там таяние. Это заставляет пору медленно мигрировать в более тёплую область, в конечном итоге достигая края льда, где рассол из поры сбрасывается в окружающую воду.
Миграция пор посредством диффузии, по словам исследователей, является основным механизмом, лежащим в основе старения морского льда. Для дальнейшего изучения конечной морфологии льда команда провела компьютерное моделирование, которое показало, что лёд в резервуаре в конечном итоге ведёт себя как плотный слой льда, лишённый пор, заполненных рассолом.
Диего Периссутти, физик, специализирующийся на многофазном потоке жидкости в Венском техническом университете, говорит, что работа «заполняет пробел» в понимании того, как солёность влияет на долгосрочную эволюцию микроструктур льда. Он впечатлён простотой модели и её способностью «с хорошей точностью фиксировать ключевые особенности системы», что может быть полезно для крупномасштабных климатических моделей.
По словам Периссутти, менее пористый лёд должен таять медленнее, но пока рано говорить о том, какое влияние результаты могут оказать на прогнозы морского льда и климата.
Ван говорит, что, хотя пористость морского льда может снижаться в долгосрочной перспективе, на природную среду влияют многие дополнительные процессы. Он добавляет, что в будущем работа должна быть сосредоточена на численных моделях, способных моделировать связанную динамику между потоком внутри пористого льда и конвективной жидкостью под ним.
Rachel Berkowitz
Rachel Berkowitz — ответственный редактор журнала Physics Magazine в Ванкувере, Канада.