'얼음화산'이 해빙 재생에 도움을 줄 수 있을까?

4년 차 프로젝트에서 공과대학 학부생인 Katy Cartlidge(2018)는 '얼음 화산'으로 알려진 제안이 북극 해빙을 복원할 수 있는 수단이 있는지 평가했습니다.

Katy는 기후 변화로 인해 북극의 여름 해빙이 놀라운 속도로 감소하고 있는 이 시점에 이론적 모델링과 실험적 분석을 사용하여 환경에 대한 '얼음 화산'의 타당성과 민감도를 평가했습니다.

과학자들은 현재의 얼음 감소 속도가 지속된다면 향후 10년 이내에 북극에서 얼음이 없는 여름이 나타날 것이라고 말합니다.

북극 해빙에는 다음과 같은 수많은 이점이 있습니다.

이 방법에는 떠 있는 원뿔형 부표 위로 바닷물을 펌핑한 다음 차가운 북극 대기에서 얼어붙어 점점 커지는 얼음 원뿔을 생성하는 방법이 포함됩니다. 슬롯형 파이프를 사용하면 얼음이 쌓일 때 물을 더 높이 펌핑할 수 있습니다. 일단 높이가 3미터에 도달하면, 과학자들은 새로 형성된 얼음이 여름 녹는 계절에도 살아남을 가능성이 높으며, 적어도 두 번의 여름 해빙 기간 동안 살아남아 귀중한 '다년 얼음'이 될 것이라고 말합니다. 이는 바람직한 결과입니다. 여름에 존재하는 다년 얼음이 더 두껍고 강해져서 일년 내내 혜택을 제공합니다. "얼음 두꺼워짐 – 기후 복구"라는 제목의 이 프로젝트는 겨울에 북극 해빙 생산량을 늘리기 위해 '얼음 화산' 방법을 사용하는 방법을 조사했습니다.

"기타 제안된 지구 공학 프로젝트와 비교할 때 '얼음 화산'의 중요한 이점은 단지 자연 활동을 증가시킬 뿐이며 익숙하지 않은 화학 물질이나 과정을 환경에 도입하지 않는다는 것입니다." - Katy Cartlidge

Katy는 어는 온도의 담수와 어는 온도 이상의 담수에 대한 '얼음 화산'의 거동을 예측하기 위해 단순화된 2차원 모델을 개발했습니다. 그런 다음 2차원 모델에 매핑되는 좁은 채널을 사용하여 실험적 분석을 수행했습니다. 실험은 –18°C 온도의 대형 냉동고에서 수행되었습니다. 온도와 염도가 다양한 물(담수와 북극 바닷물의 염도가 있는 물)이 수로를 통해 차가운 ​​'원래 얼음' 층 위로 펌핑되어 얼거나 녹게 되었습니다. 그런 다음 얼음 두께의 결과 변화를 계산했습니다.

'얼음 화산'의 다이어그램. 바닷물은 아래에서 떠다니는 부표 위로 펌핑되어 원뿔 모양의 '화산'으로 얼어붙습니다. 슬롯형 파이프를 사용하면 얼음이 쌓일 때 물을 더 높이 펌핑할 수 있습니다. 수직 스케일이 과장되었습니다. 신용: 케이티 Cartlidge.

이론적으로나 실험적으로나 결과는 결빙 온도의 물에 대해 유망했습니다. 얼음은 수로를 따라 쉽고 균일하게 형성되었으며, 이는 '얼음 화산'이 성공적이고 균일할 수 있음을 나타냅니다. 실험적인 얼음 축적은 담수와 해수 모두에 대한 이론적 예측을 초과했는데, 이는 잠재적으로 모델에서 무시된 공기의 열 유속 때문이었습니다.

그러나 결빙 온도 이상으로 물이 채널로 유입되는 경우 결과는 덜 고무적이었습니다. 이로 인해 얼음이 수로 아래로 더 아래로 생성되기는 하지만 어는 온도보다 불과 몇 도 높은 물의 경우에도 유입구 근처에서 상당한 얼음 손실이 발생하는 것으로 나타났습니다. '얼음 화산'의 맥락에서 이는 물이 어는 온도의 매우 좁은 한계 내에 있지 않는 한 파이프를 둘러싼 얼음 영역이 몇 시간 내에 완전히 침식되어 '얼음 도넛'을 생성할 수 있음을 암시합니다.

Katy는 "허용 가능한 수온의 좁은 범위는 작동성 문제를 야기합니다."라고 말했습니다. "특정 온도에서 '얼음 화산'은 생성되는 것보다 더 많은 얼음을 녹일 수 있어 완전히 실행 불가능하고 비생산적입니다."

얼음이 녹는 온도 이상으로 물이 들어가는 상황을 제시합니다. 파이프 주위에 얼음이 침식되어 도넛 모양을 형성합니다. 신용: 케이티 Cartlidge.

"이것은 얼음 화산에 유익한 효과가 있습니다. 얼음이 물이 얼는 것보다 더 따뜻한 온도에서 녹으면 물이 어는 온도보다 높을 수 있고 여전히 얼음이 녹지 않아 작동 가능한 온도 범위가 증가하기 때문입니다."라고 Katy는 말했습니다. . "그러나 바닷물이 충분히 따뜻하다면 위에서 설명한 재앙적인 얼음 손실을 초래하고 얼음 화산을 무력하게 만들 것입니다." 실험적 분석은 또한 소금물 자체의 어는 온도보다 더 높은 녹는 온도를 포함하여 몇 가지 주목할만한 차이점이 있는 소금물로 확장되었습니다. 소금의 존재는 물의 열적 특성을 변화시킵니다.