Морський лід регулює теплообмін між атмосферою та океаном у полярних регіонах. Ключову роль відіграє теплопровідність льоду – це важливий параметр у кліматичних моделях. Однак його складно обчислити через особливу мікроструктуру льоду, його чутливість до температури, солоність. У новій роботі вчені застосували низку математичних методів розрахунку теплопровідності. У перспективі це допоможе покращити кліматичні моделі та знайде застосування в інших областях.
Останніми роками морський лід перебуває у центрі уваги кліматологів. Коли з’ясувалося, що середньорічні температури на планеті зростають, а в полярних регіонах потепління йде швидше, ніж в інших місцях, система «атмосфера — океанська вода — морський лід» набула особливого значення. Для людства важливо розуміти, як вона працює.
Морський лід – це ізолююче покриття океану, що відокремлює його від атмосфери. Воно відбиває сонячне світло і керує теплообміном між повітрям та водою. Морський лід бере участь у системі зворотного зв’язку: що більше його площа, то більше вписувалося сонячного випромінювання він відбиває і тим нижче температура повітря. В останні десятиліття площа морського льоду помітно скоротилася, що призвело до посилення парникового ефекту з усіма наслідками.
«Морський лід покриває приблизно 15 відсотків поверхні океану у холодні сезони, під час максимумів. Це тонкий шар на межі атмосфери та океану, що впливає на теплообмін між ними», – пояснила Ноа Крайцман, старший викладач прикладної математики в Університеті Маккуорі (Австралія), керівник роботи, підсумки якої опубліковані в журналі Proceedings of the Royal Society A.
За словами Крайцман, структура морського льоду, особливо його висока чутливість до температури та солоності, така, що виміряти та змоделювати його властивості, включаючи теплопровідність, вкрай складно. Коли температура повітря в океані опускається нижче за мінус 30 градусів Цельсія, температура морської води все ще залишається мінус два градуси. Це створює велику різницю температур, наголосила дослідниця: вода починає замерзати зверху донизу. Процес йде швидко, сіль витісняється. Залишається матриця чистого водного льоду із включеннями бульбашок повітря та кишенями дуже солоного розчину – розсолу.
Ці краплі щільного розсолу важчі, ніж прісна океанська вода. Через війну виникає конвекція всередині льоду, з’являються великі пори, у яких циркулюють розсоли. Рух рідких розсолів усередині морського льоду теоретично може посилити перенесення тепла у разі підвищення температур. Вперше це припустив Джо Тродал з Університету Вікторії у Веллінгтоні (Нова Зеландія), який експериментально виміряв теплопровідність природного морського льоду в Антарктиді у польовий сезон 1999 року. Тепер це довели математично.
Вчені модернізували рівняння переносу для пористого композитного матеріалу з розсолами, що циркулюють у ньому, яким виступає морський лід. Вони показали, що конвективні потоки всередині льоду можуть підвищити ефективну теплопровідність у два-три рази. Це стосується нижньої частини шару, більш теплої та проникної. Взимку це нижні 10 сантиметрів, влітку процес може зачіпати всю товщу. Автори дослідження мають намір перевірити свої результати за допомогою польових даних та включити їх у кліматичні моделі.