Открытие в полярных регионах: Ученые обнаружили новый фактор влияния на теплообмен в морском льду

Морской лед играет важную роль в регулировании теплового баланса между атмосферой и океаном в полярных областях.

Центральное место в этом процессе занимает теплопроводность льда, которая является ключевым параметром в климатических моделях. Однако из-за сложной микроструктуры льда и его чувствительности к температуре и солености, расчет этого показателя представляет значительные трудности.

В свежей научной работе исследователи применили комплекс математических подходов для оценки теплопроводности, что в будущем может способствовать усовершенствованию климатических моделей и найти применение в различных сферах.

В последние годы внимание климатологов все чаще обращается к морскому льду. После обнаружения роста среднегодовых температур планеты и более быстрого потепления в полярных зонах по сравнению с другими регионами, система взаимодействия атмосферы, океана и морского льда приобрела особое значение. Понимание того, как эта система функционирует, имеет жизненно важное значение для человечества.

Морской лед служит изолирующим слоем океана, отделяя его от атмосферы. Он отражает солнечную радиацию и управляет обменом теплом между воздухом и водой. Этот лед также участвует в механизме обратной связи: чем обширнее его площадь, тем больше солнечного излучения он отражает, что приводит к снижению температуры воздуха. В последние десятилетия площадь морского льда значительно сократилась, что усилило парниковый эффект и повлекло за собой множество последствий.

Ноа Крайцман, старший преподаватель прикладной математики в Университете Маккуори (Австралия) и руководитель исследования, объяснила, что морской лед покрывает около 15% поверхности океана в холодные сезоны и представляет собой тонкий слой на границе атмосферы и океана, влияющий на теплообмен между ними. Однако, из-за особенностей структуры морского льда, особенно его высокой чувствительности к температуре и солености, измерение и моделирование его свойств, включая теплопроводность, крайне затруднительно.

Когда температура воздуха в океане падает ниже -30°C, температура морской воды остается около -2°C, создавая значительный температурный градиент. Вода начинает замерзать сверху вниз, вытесняя соль и формируя матрицу чистого водного льда с включениями воздушных пузырьков и карманов соленой воды — рассола. Эти капли тяжелого рассола, более плотные, чем пресная океанская вода, вызывают конвекцию внутри льда, образуя крупные поры, через которые циркулируют рассолы.

Движение жидких рассолов внутри морского льда теоретически может усилить перенос тепла при повышении температур. Это предположение впервые высказал Джо Тродал из Университета Виктории в Веллингтоне (Новая Зеландия), который экспериментально измерил теплопроводность природного морского льда в Антарктиде в 1999 году. Теперь это доказано математически.

Исследователи модернизировали уравнение переноса для пористого композитного материала с циркулирующими рассолами, что привело к выводу о том, что конвективные потоки внутри льда могут увеличить эффективную теплопроводность в два-три раза. Этот эффект особенно заметен в нижней части льда, где температура выше и проницаемость больше. Авторы планируют проверить свои выводы с помощью полевых данных и интегрировать их в климатические модели.

Фото: www. flickr.com/Lenny K Photography (Creative Commons Attribution 2.0 Generic license)