Физика

Физики предрекли высоким узким айсбергам быстрое таяние

Физики предрекли высоким узким айсбергам быстрое таяние

Eric W. Hester et al. / Physical Review Fluids, 2021

Физики экспериментально показали, что форма айсбергов влияет на скорость таяния. Высокие и узкие айсберги с большой подводной частью тают гораздо быстрее, чем широкие, в основном расположенные над поверхностью воды. Этот параметр не учитывался в геофизических моделях ранее, так что для некоторых айсбергов скорость таяния может оказаться намного больше, чем считалось. Статья опубликована в журнале Physical Review Fluids.

Таяние ледниковых щитов в Гренландии и Антарктиде — важный климатический фактор. Этот процесс обеспечивает постоянный приток пресной воды в океаны. Помимо общего повышения уровня воды, это также снижает ее соленость, из-за чего меняется движение океанических течений. Это, в свою очередь, вызывает нарушения в температурном режиме и на суше. 

Около 45 процентов талой воды высвобождается не напрямую из ледников, а из айсбергов, отколовшихся от них. Поэтому количество пресной воды и картина ее распространения в первую очередь зависят от того, как быстро тают айсберги. 

Первыми скорость таяния рассчитали в 1973 году Вилфорд Викс и Виллиам Кэмпбелл. Они предложили транспортировать айсберги в засушливые районы, чтобы использовать как источники пресной воды. Оценка скорости таяния была сделана, чтобы определить, какая часть исходного айсберга останется после буксировки до места назначения. Их модель имела серьезный недостаток — предсказывала нулевую скорость таяния при нулевой относительной скорости айсберга. Позже ее дополнил Фитц Морис, исправив эту ошибку. Но и его модель содержала несколько серьезных упрощений, в том числе не учитывала влияние формы айсберга.

Эрик Хестер (Eric W. Hester) из Университета Сиднея вместе с коллегами из нескольких университетов Новой Зеландии, США, Англии и Франции проверили, как форма айсберга влияет на скорость его таяния. Работа состояла из экспериментальной проверки с использованием кусков льда и компьютерного моделирования.

Бруски льда частично погружали в поток воды, меняя два параметра — длину брусков и скорость течения. Под «длиной» имеется в виду размер стороны, расположенной параллельно направлению течения. Всего ученые проверили пять значений, от 10 до 33 сантиметров. Скорость потока в эксперименте принимала значения 0, 1,5 и 2,5 сантиметра в секунду. Ученые пробовали также менять ширину брусков, но это качественно не повлияло на результаты.

Перед заморозкой воду для брусков покрасили в синий, чтобы сделать изображения более наглядными. Каждый брусок взвесили, поместили на три сантиметра в воду на десять минут и фотографировали каждые две минуты. После кусочки льда взвесили еще раз, чтобы вычислить изменение массы (авторы не сообщают точных цифр изменения массы тестовых кусков льда).

Фотографии, сделанные в ходе двух экспериментов, с длиной L = 10 сантиметров (слева) и L = 32,5 сантиметра (справа). Каждый кубик погружали в воду на 3 сантиметра, скорость течения воды 3,5 сантиметра в секунду. Фотографии делали каждые две минуты.

Eric W. Hester et al. / Physical Review Fluids, 2021

Оказалось, что вне зависимости от длины сильнее всего растаяла фронтальная часть каждого бруска, в которую «врезался» поток теплой воды. Скорость таяния фронтальной поверхности при скорости потока 3,5 сантиметра в секунду составила в среднем для всех брусков 0,39 сантиметра в минуту, тогда как для боковых поверхностей это значение оказалось равным 0,21 сантиметра в минуту, а для задней стенки и основания — меньше 0,16. Это согласуется с теоретическими расчетами, показывающими, что поток, перпендикулярный поверхности льда, вызывает более быстрое таяние, чем поток, параллельный поверхности. 

При этом скорости таяния, рассчитанные по существующим моделям, не превышают 0,12 сантиметра в минуту, и ни одна из них не учитывает разницу в скоростях таяния сторон брусков. 

Аналогичный результат продемонстрировали компьютерные симуляции, выполненные с учетом различных параметров: температуры, солености, выталкивающих сил.

Компьютерная модель таяния ледяного кубика, погруженного в воду. Скорость течения 3,5 сантиметра в секунду. Модель слева учитывает температуру, соленость и выталкивающие силы, модель справа — только температуру.

Eric W. Hester et al. / Physical Review Fluids, 2021

С помощью моделей ученые выяснили еще несколько деталей процесса. Например, скорость таяния фронтальной части росла с увеличением глубины погружения. Основание брусков сильнее всего таяло в центре, но в целом все равно заметно отставало от фронтальной части.

Можно ожидать, что те же принципы работают для настоящих айсбергов, то есть, их стороны тают с разной скоростью. Даже не очень сильное течение, направленное перпендикулярно поверхности льда, заставляет эту поверхность таять гораздо быстрее других частей айсберга. Ученые составили новую модель с учетом полученных экспериментальных данных. 

Скорости плавления как функции отношения длины (приравнивается к ширине) к глубине погружения. Разными цветами обозначены графики для разных скоростей течения.

Eric W. Hester et al. / Physical Review Fluids, 2021

Чем меньше отношение длины куска льда к глубине погружения, тем выше скорость таяния. Это значит, что быстрее всего тают узкие айсберги, сильно погруженные под воду. В нынешних геофизических моделях влияние соотношения сторон на скорость таяния не учитывается, поэтому они предсказывают заниженные по сравнению с реальными значения. Учет новых данных позволит сделать более точные прогнозы.

В материале «Ледовый лом» можно посмотреть, как айсберги откалываются от ледников. Это не просто красивый процесс: по бороздам от айсбергов ученые смогли оценить, как быстро тает ледник.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть