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: как изменяется материальная структура 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 потоки жидкости, теплообмен и другие процессы, влияющие на таяние льда.
Прогнозируемая 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 льде 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 морского льда
Известно, что морской лёд теряет содержание соли при замерзании, в результате чего более плотная и солёная вода заполняет 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 сосредоточились на изменениях солёности.
«Такая беспрецедентная продолжительность позволяет нам определить временную шкалу диффузии соли, которая контролирует медленную эволюцию пористости льда», — говорит Ван.
Экспериментальная установка
Исследователи начали с прямоугольного резервуара размером 24 × 12 × 6 см³, заполненного солевым раствором, чья солёность была близка к солёности морской воды. Боковые стенки резервуара были оснащены системой термоконтроля: левая стенка поддерживалась при температуре ниже нуля, а правая — при постоянной температуре выше нуля. Такая конфигурация сразу же установила конвективный поток, который переносил тёплую жидкость к холодной стенке, где образовывался слой льда. Камеры и датчики солёности непрерывно отслеживали процесс замерзания.
Результаты
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 привело исследователей к предположению, что эволюция льда зависит от обессоливания.
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, свободный от пор, заполненных рассолом.
Диего Периссутти, физик, специализирующийся на многофазном потоке жидкости в Венском техническом университете, говорит, что работа «восполняет пробел» в понимании того, как солёность влияет на долгосрочную эволюцию микроструктур льда. Он впечатлён простотой модели и её способностью «с хорошей точностью отражать ключевые особенности системы», что может быть полезно для крупномасштабных климатических моделей.
По словам Периссутти, менее пористый лёд должен таять медленнее, но пока рано говорить, какое значение результаты могут иметь для прогнозов морского льда и климата.
Ван отмечает, 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 потоками внутри пористого льда и конвективной жидкостью под ним.
Рэйчел Берковиц — ответственный редактор журнала Physics Magazine в Ванкувере, Канада.