Matematycy rozwiązali zagadkę związaną z lodem morskim, która może potencjalnie zmienić kształt modeli klimatycznych.
Nowo opracowana stosowana teoria matematyczna może pogłębić naszą wiedzę na temat wpływu lodu morskiego na globalny klimat, potencjalnie prowadząc do dokładniejszych prognoz klimatycznych.
Autorzy nowego artykułu opublikowanego w czasopiśmie „ Materiały Towarzystwa Królewskiego A 28 sierpnia dostarczą nowych informacji na temat sposobu, w jaki ciepło przemieszcza się przez lód morski, kluczowy czynnik regulujący klimat polarny Ziemi.
Doktor Noa Kraitzman, starszy wykładowca matematyki stosowanej na Uniwersytecie Macquarie i główna autorka badania, twierdzi, że badanie uwzględnia kluczową lukę w obecnym modelowaniu klimatu.
„Lód morski pokrywa około 15 procent powierzchni oceanu w najzimniejszych porach roku, kiedy jest jego zdecydowana większość” – mówi dr Kraitzman. „To cienka warstwa oddzielająca atmosferę od oceanu i odpowiedzialna za wymianę ciepła między nimi”.
Lód morski działa jak koc izolacyjny na oceanie, odbijając światło słoneczne i łagodząc wymianę ciepła. W miarę wzrostu temperatur na świecie zrozumienie zachowania lodu morskiego będzie coraz ważniejsze dla przewidywania zmian klimatycznych.
Nowe spojrzenie na lód morski
Badanie skupia się na przewodności cieplnej lodu morskiego – kluczowym parametrze stosowanym w wielu globalnych modelach klimatycznych. W poprzednich modelach nie uwzględniono ruchu ciekłej solanki w lodzie morskim, który może potencjalnie zwiększyć transport ciepła.
Dr Kraitzman twierdzi, że wyjątkowa struktura lodu morskiego w połączeniu z jego wrażliwą zależnością od temperatury i zasolenia oznacza, że pomiar i przewidywanie jego właściwości, w szczególności przewodności cieplnej, stanowi wyzwanie.
„Kiedy patrzysz na lód morski w małej skali, interesująca jest jego złożona struktura, ponieważ składa się z lodu, pęcherzyków powietrza i wtrąceń solanki.
„Ponieważ atmosfera nad oceanem staje się niezwykle zimna, poniżej minus 30 stopni Celsjuszpodczas gdy woda w oceanie utrzymuje się na poziomie około minus dwóch stopni, powoduje to dużą różnicę temperatur i woda zamarza od góry do dołu.
„Gdy woda szybko zamarza, wypycha sól, tworząc matrycę lodową z czysto zamarzniętej wody, która wychwytuje pęcherzyki powietrza i kieszenie bardzo słonej wody, zwane wtrąceniami solanki, otoczone prawie czystym lodem”.
Te gęste wtrącenia solankowe są cięższe od słodkiej wody oceanicznej, co powoduje przepływ konwekcyjny w lodzie, tworząc duże „kominy”, przez które wypływa ciekła sól.
Rozwój badań i dowód matematyczny
Badania opierają się na wcześniejszych badaniach terenowych przeprowadzonych przez Trodahla w 1999 r., które jako pierwsze zasugerowały, że przepływ płynu w lodzie morskim może zwiększać jego przewodność cieplną. Zespół dr Kraitzmana przedstawił teraz matematyczny dowód tego zjawiska.
„Nasza matematyka zdecydowanie pokazuje, że takiego wzmocnienia należy się spodziewać po rozpoczęciu przepływu konwekcyjnego w lodzie morskim” – mówi dr Kraitzman.
Model umożliwia także powiązanie właściwości termicznych lodu morskiego z jego temperaturą i zawartością soli, co pozwala na porównanie wyników teoretycznych z pomiarami.
W szczególności zapewnia narzędzie do wykorzystania w wielkoskalowych modelach klimatycznych, co może potencjalnie prowadzić do dokładniejszych przewidywań przyszłych warunków w regionach polarnych.
W ostatnich dziesięcioleciach ilość lodu morskiego w Arktyce szybko się zmniejsza. Ta utrata lodu może prowadzić do pętli sprzężenia zwrotnego: w miarę odsłonięcia większej ilości ciemnej wody oceanicznej pochłania ona więcej światła słonecznego, co prowadzi do dalszego ocieplenia i utraty lodu.
Utrata lodu morskiego może mieć wpływ na warunki pogodowe, cyrkulację oceaniczną i ekosystemy morskie daleko poza regionami polarnymi.
Dr Kraitzman twierdzi, że zrozumienie przewodności cieplnej lodu morskiego jest ważne dla przewidywania jego przyszłości.
Naukowcy zauważają, że chociaż ich model zapewnia ramy teoretyczne, potrzebne są dalsze prace eksperymentalne, aby zintegrować te ustalenia z wielkoskalowymi modelami klimatycznymi.
Odniesienie: „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., Postępowanie A.
DOI: 10.1098/rspa.2023.0747
Badanie przeprowadzili matematycy z Macquarie University w Australii, University of Utah i Dartmouth College w New Hampshire w USA.
Projekt finansowano ze środków amerykańskiej National Science Foundation.
