Морской лед влияет на процессы теплообмена между атмосферой и океаном в полярных областях. Важную роль в этом играет теплопроводность льда, являющаяся значимым параметром для климатических моделей. Однако ее расчет затруднен из-за уникальной микроструктуры льда, а также его зависимости от температуры и солености. В рамках нового исследования ученые использовали несколько математических методов для определения теплопроводности. В будущем это позволит усовершенствовать климатические модели и найдет применение в различных сферах.
В последние годы морской лед стал предметом пристального изучения климатологов. Учитывая, что среднегодовые температуры на планете повышаются, а потепление в полярных регионах происходит быстрее, чем в других областях, система, состоящая из атмосферы, океанической воды и морского льда, приобрела ключевое значение. Понимание принципов ее функционирования критически важно для человечества.
Морской лед представляет собой изолирующий слой, покрывающий океан и ограждающий его от атмосферы. Этот лед отражает солнечный свет и регулирует процесс теплообмена между воздухом и водой. Площадь морского льда влияет на климат: чем она больше, тем интенсивнее отражается солнечное излучение и тем ниже температура воздуха. За последние десятилетия наблюдается значительное сокращение площади морского льда, что способствует усилению парникового эффекта и его негативным последствиям.
«В холодные месяцы морской лед занимает около 15 процентов площади океана, достигая максимальных значений. Этот тонкий слой, расположенный на границе атмосферы и океана, оказывает влияние на процессы теплообмена между ними», — так пояснила Ноа Крайцман, старший преподаватель прикладной математики в Университете Маккуори (Австралия), руководитель исследования, результаты которого опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society A.
Крайцман отметила, что структура морского льда характеризуется высокой восприимчивостью к изменениям температуры и солености, что существенно затрудняет измерение и моделирование его характеристик, в частности теплопроводности. По ее словам, когда температура воздуха над океаном опускается ниже минус 30 градусов Цельсия, температура воды остается около минус двух градусов. Такая значительная разница температур приводит к тому, что вода начинает замерзать сверху вниз. Этот процесс происходит стремительно, в результате чего соль вытесняется. В итоге формируется структура из чистого водного льда, содержащая пузырьки воздуха и карманы насыщенного солевого раствора — рассола.
Капли насыщенного рассола обладают большей плотностью, чем пресная вода океана. Это приводит к возникновению конвекции внутри ледяной структуры и образованию крупных пор, заполненных рассолами. Движение этих жидких рассолов внутри морского льда, как считается, может способствовать интенсификации теплопередачи при повышении температуры. Первоначально эту гипотезу высказал Джо Тродал из Университета Виктории в Веллингтоне (Новая Зеландия), который в 1999 году провел экспериментальные измерения теплопроводности природного морского льда в Антарктиде. Теперь это было подтверждено математическими методами.
Ученые внесли изменения в уравнение переноса, описывающее пористый композитный материал, содержащий циркулирующие рассолы, таким как морской лед. В ходе работы было показано, что конвективные потоки, возникающие внутри льда, способны увеличить его эффективную теплопроводность в два-три раза. Это явление характерно для нижней, более теплой и проницаемой части слоя. В зимний период к процессу вовлекаются первые 10 сантиметров, а летом он может охватывать всю толщу. В дальнейшем авторы планируют подтвердить полученные результаты, используя данные, собранные в полевых условиях, и интегрировать их в климатические модели.