Айсберги иногда теряют устойчивость и внезапно переворачиваются. Точная причина таких переворотов была неясна. Новый эксперимент, воссоздающий перевороты айсбергов в лаборатории, показывает, что изменения формы из-за таяния определяют, перевернётся ли айсберг и как именно. Результаты могут помочь улучшить климатические модели, предоставив более точную картину динамики льда в океанах.
Перевороты айсбергов — редкие, но впечатляющие явления
Перевороты айсбергов — редкие, но впечатляющие явления, которые иногда могут вызывать разрушительные волны, воздействующие на корабли и прибрежные сообщества. Учёные давно подозревали, что неравномерное таяние верхней и нижней частей айсберга приводит к нестабильности формы и последующему перевороту, но некоторые исследования предполагали, что таяние может быть стабилизирующей силой.
Проблема усложняется тем, что таяние изменяет геометрию айсберга, что, в свою очередь, влияет на скорость таяния. Измерить изменения формы на реальном айсберге сложно. Более того, волны, течения и ветер могут дестабилизировать айсберги, и трудно разделить все факторы, — говорит Лейф Ристроф из Нью-Йоркского университета. Поэтому он и его коллеги провели эксперимент, чтобы выяснить, как меняется форма льда при таянии.
Эксперимент в лаборатории
Исследователи создали цилиндрические ледяные плиты шириной 8 см, длиной 18 см, без пузырьков и загрязнений, что обеспечивало равномерное таяние. Эти плиты поместили в водяной бак размером с большой чемодан, где они могли свободно вращаться, а их поперечные сечения можно было снимать на видео во время таяния.
«Соображения в нашем эксперименте были больше о контроле, воспроизводимости и измеримости, чем о реализме», — говорит Ристроф.
Команда наблюдала, что ледяная плита некоторое время оставалась в одном положении, прежде чем резко перевернуться в другое. Во время каждой стационарной фазы лёд таял быстрее с погружённой нижней части, чем с верхней части, выглядывающей из воды. Это дифференциальное таяние привело к образованию двух зауженных углов по бокам плиты на уровне воды. Постепенно области вокруг углов становились нестабильными, вызывая переворот льда.
На каждом переходе один из двух углов возвращался к уровню воды. Со временем по периметру плиты развилось несколько углов, придав её поперечному сечению форму, напоминающую пятиугольник, которая несла запись о прошлых переворотах и подготовила лёд к будущим переворотам.
Результаты эксперимента
Лабораторные айсберги переворачивались 10–15 раз, прежде чем полностью растаять за полчаса. Время между переворотами было сильно переменчивым и зависело от точной геометрии айсбергов. «Чрезвычайно тонкие различия в форме определяют, опрокинется ли кусок льда, будь то наши миниатюрные айсберги или настоящие, — говорит Ристроф.
Исследователи смоделировали динамику таяния льда с помощью численного моделирования. Несмотря на упрощения, такие как предположение о постоянной скорости таяния погружённой части айсберга, моделирование дало результаты, качественно схожие с экспериментами.
В будущих работах исследователи планируют изучить другие факторы, которые могут повлиять на связь между таянием и формой айсберга. Например, температура может иметь решающее значение. Команда использовала воду комнатной температуры в своём баке, но большая часть таяния льда в океане происходит в гораздо более холодной воде, — объясняет Ристроф.
Новая работа может помочь улучшить глобальные климатические модели, используемые для прогнозирования погоды и отслеживания закономерностей изменения климата. Эти модели основаны на более мелких подмоделях различных климатических факторов, таких как ледовый покров.
Однако форма лабораторных айсбергов может ограничить широкое применение результатов экспериментов, по мнению Микаэлы Фендрок, геолога из Университета Альфреда в Нью-Йорке. «Может быть сложно применить [выводы из этого эксперимента] к реальным айсбергам, которые, как правило, имеют длинную, плоскую и прямоугольную форму», — говорит она.
Но Алексис Камински, эксперт по геофизической гидродинамике в Калифорнийском университете в Беркли, считает, что новая работа может быть обобщена. Моделирование показало, что поведение при таянии можно воспроизвести с упрощающими предположениями о таянии на поверхности льда, — говорит Камински. «Я думаю, [эта нечувствительность к параметрам] говорит, что их теория будет хорошо работать для реального айсберга».