Naukowcy z Utah specjalizujący się w matematyce i badaniach klimatycznych opracowali nowe modele, aby lepiej zrozumieć lód morski, ujawniając, że jest on mniej trwały, niż się powszechnie uważa.
Polarny lód morski stale się zmienia. Rozszerza się i kurczy, dryfuje, pęka i przekształca się wraz ze zmieniającymi się porami roku i przyspieszającym wpływem zmian klimatycznych. Zamiast być jednolitą warstwą zamarzniętej wody na powierzchni oceanu, jest to złożona i dynamiczna mieszanka lodu, wody oraz maleńkich kieszeni powietrza i solanki uwięzionych w lodzie.
Nowe badania prowadzone przez matematyków i klimatologów z Uniwersytetu Utah generują nowe modele umożliwiające zrozumienie dwóch kluczowych procesów zachodzących w układzie lodu morskiego, które mają głęboki wpływ na globalny klimat: strumienia ciepła przez lód morski, łączącego termicznie ocean i atmosferę oraz dynamika marginalnej strefy lodowej, czyli MIZ, serpentynowego obszaru pokrywy lodowej Morza Arktycznego, który oddziela gęsty pak lodowy od otwartego oceanu.
Według Court Strong, profesora nauk o atmosferze, w ciągu ostatnich czterdziestu lat, odkąd zdjęcia satelitarne stały się powszechnie dostępne, szerokość MIZ wzrosła o 40%, a jego północna krawędź przesunęła się o 1600 kilometrów na północ.
„Przesunął się także w stronę bieguna, podczas gdy rozmiar paku lodowego morskiego zmniejszył się” – powiedział Strong, współautor jednego z dwóch badań opublikowanych przez naukowców z U w ostatnich tygodniach. „Większość tych zmian miała miejsce jesienią, mniej więcej w czasie, gdy lód morski osiąga sezonowe minimum”.
Opowieść o dwóch studiach, jednym na północy i jednym na południu
Niniejsze badanie, które dostosowuje model przejścia fazowego zwykle stosowany w skalach laboratoryjnych dla stopów i roztworów binarnych do dynamiki MIZ w skali Oceanu Arktycznego, pojawia się w: Raporty naukowe. Drugie badanie, opublikowane w czasopiśmie „ Materiały Towarzystwa Królewskiego A i w oparciu o badania terenowe na Antarktydzie opracował model pozwalający zrozumieć przewodność cieplną lodu morskiego. Na okładce wydania zamieszczono zdjęcie przedstawiające regularnie rozmieszczone kanały solankowe w kilkucentymetrowych dolnych warstwach lodu morskiego Antarktyki.
W ostatnich dziesięcioleciach pokrywa lodowa pokrywająca oba regiony polarne gwałtownie się zmniejszyła dzięki globalnemu ociepleniu wywołanemu działalnością człowieka. Jej zniknięcie powoduje również powstanie pętli sprzężenia zwrotnego, w ramach której większa część energii słonecznej jest pochłaniana przez otwarty ocean, a nie odbijana z powrotem w przestrzeń kosmiczną przez pokrywę lodową.
Autorami obu badań są profesorowie matematyki z Utah, Elena Cherkaev i Ken Golden, czołowy badacz lodu morskiego. Badanie Arktyki prowadzone przez Stronga bada makrostrukturę lodu morskiego, natomiast badanie Antarktyki, prowadzone przez byłą badaczkę ze stopniem doktora w Utah Noę Kraitzman, skupia się na jego aspektach w mikroskali.
Lód morski nie jest stały, raczej przypomina gąbkę z maleńkimi dziurkami wypełnionymi słoną wodą lub wtrąceniami solanki. Według Goldena, gdy woda oceaniczna poniżej wchodzi w interakcję z lodem, może uruchomić przepływ, który umożliwia szybsze przemieszczanie się ciepła przez lód, tak jak podczas mieszania filiżanki kawy. Naukowcy biorący udział w badaniu Antarktyki wykorzystali zaawansowane narzędzia matematyczne, aby dowiedzieć się, w jakim stopniu przepływ ten zwiększa przepływ ciepła.
Badanie przewodności cieplnej wykazało również, że nowy lód, w przeciwieństwie do lodu, który pozostaje zamarznięty rok po roku, umożliwia większy przepływ wody, umożliwiając w ten sposób większy transfer ciepła. Obecne modele klimatyczne mogą nie doceniać ilości ciepła przemieszczającego się przez lód morski, ponieważ nie uwzględniają w pełni tego przepływu wody. Udoskonalając te modele, naukowcy mogą lepiej przewidzieć, jak szybko topnieje lód morski i jaki ma to wpływ na globalny klimat.
Chociaż aspekty lodu badane w obu badaniach są zupełnie różne, zdaniem Golden matematyczne zasady ich modelowania są takie same.
„Lód nie jest kontinuum. To kupa kry. To materiał kompozytowy, podobnie jak lód morski z drobnymi wtrąceniami solanki, ale to woda z wtrąceniami lodu” – powiedział Golden, opisując marginalną strefę lodową Arktyki. „To w zasadzie ta sama fizyka i matematyka w innym kontekście i otoczeniu, aby dowiedzieć się, jakie są efektywne właściwości termiczne na dużą skalę, biorąc pod uwagę geometrię i informacje o krze, co jest analogiczne do podawania szczegółowych informacji o wtrąceniach solanki w w skali submilimetrowej.”
Golden lubi powtarzać, że to, co dzieje się w Arktyce, nie zostaje w Arktyce. Zmiany w MIZ z pewnością zachodzą w innych częściach świata w postaci zakłóconych wzorców klimatycznych, dlatego niezwykle ważne jest zrozumienie, co robi. Strefę definiuje się jako tę część powierzchni oceanu, w której od 15% do 80% pokrywa lód morski. Tam, gdzie pokrywa lodowa przekracza 80%, uważa się ją za pak lodowy, a mniej niż 15% za zewnętrzne obrzeża otwartego oceanu.
Niepokojący obraz z kosmosu
„MIZ to obszar wokół krawędzi lodu morskiego, gdzie lód rozbija się na mniejsze kawałki pod wpływem fal i topnieje” – powiedział Strong. „Zmiany w MIZ są ważne, ponieważ wpływają na przepływ ciepła między oceanem a atmosferą oraz na zachowanie życia w Arktyce, od mikroorganizmów po niedźwiedzie polarne i nawigację ludzi”.
Wraz z pojawieniem się wysokiej jakości danych satelitarnych pod koniec lat 70. XX wieku wzrosło zainteresowanie naukowe MIZ, ponieważ obecnie jego zmiany można łatwo udokumentować. Strong był jednym z tych, którzy odkryli, jak wykorzystać zdjęcia wykonane z kosmosu do pomiaru MIZ i udokumentowania alarmujących zmian.
„W ciągu ostatnich kilku dekad zaobserwowaliśmy, że MIZ poszerzył się aż o 40%” – powiedział Strong.
Przez lata naukowcy badali lód morski jako tak zwaną „warstwę papkowatą”. Jako metal stop topi się lub zestala z cieczy, w obu przypadkach przechodzi przez stan porowaty lub papkowaty, w którym współistnieją fazy ciekła i stała. Zamarzanie słonej wody przebiega podobnie, w wyniku czego powstaje czysty gospodarz lodowy z kieszeniami płynnej solanki, który jest szczególnie porowaty lub papkowaty na dnie o kilka centymetrów najbliżej cieplejszego oceanu, z pionowymi kanałami zwanymi „kominami” w języku papkowatych warstw.
Zespół Stronga sprawdził, czy wcześniej modelowana fizyka warstw papkowatych może zostać zastosowana na rozległych obszarach MIZ. Według badania odpowiedź brzmi „tak”, co potencjalnie otwiera nowe spojrzenie na część Arktyki, która podlega ciągłym zmianom.
Krótko mówiąc, w badaniu zaproponowano nowy sposób myślenia o MIZ jako o obszarze przejścia fazowego na dużą skalę, podobnym do tego, jak lód topi się w wodę. Tradycyjnie topnienie postrzegano jako zjawisko zachodzące na małą skalę, np. na krawędziach kry lodowej. Jednak patrząc na Arktykę jako całość, MIZ można postrzegać jako szeroką strefę przejściową pomiędzy stałym, gęstym pakiem lodowym a otwartą wodą. Pomysł ten pomaga wyjaśnić, dlaczego MIZ to nie tylko ostra granica, ale raczej „bzdurny” obszar, w którym współistnieją zarówno lód, jak i woda.
„W naukach o klimacie często używamy bardzo złożonych modeli. Może to prowadzić do umiejętnego przewidywania, ale może również utrudniać zrozumienie tego, co fizycznie dzieje się w systemie” – powiedział Strong. „Celem było stworzenie możliwie najprostszego modelu, który będzie w stanie uchwycić zmiany, które widzimy w MIZ, a następnie zbadanie tego modelu, aby uzyskać wgląd w to, jak działa system i dlaczego się zmienia”.
Celem tego badania było zrozumienie cyklu sezonowego MIZ. Następnym krokiem będzie zastosowanie tego modelu, aby lepiej zrozumieć, co napędza trendy MIZ obserwowane w ciągu ostatnich kilku dekad.
Referencje:
„Homogenizacja dla transportu termicznego wzmocnionego konwekcją w lodzie morskim” autorstwa Noa Kraitzman, Rebecca Hardenbrook, Huy Dinh, N. Benjamin Murphy, Elena Cherkaev, Jingyi Zhu i Kenneth M. Golden, 1 sierpnia 2024 r., Materiały Towarzystwa Królewskiego A.
DOI: 10.1098/rspa.2023.0747
„Wieloskalowy model papkowatej warstwy lodu dla dynamiki marginalnej strefy lodowej Arktyki” autorstwa Courtenay Strong, Elena Cherkaev i Kenneth M. Golden, 3 września 2024 r., Raporty naukowe.
DOI: 10.1038/s41598-024-70868-8
Fundusze na te badania pochodziły od National Science Foundation i Amerykańskiego Biura Badań Marynarki Wojennej.
