劍橋大學(xué) | “冰火山”能幫助海冰再生嗎?
指南者留學(xué)
2022-11-22 15:24:46
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<p>凱蒂利用理論建模和實(shí)驗(yàn)分析來(lái)評(píng)估“冰火山”對(duì)其環(huán)境的可行性和敏感性,目前由于氣候變化,北極夏季海冰正在以驚人的速度減少。</p>
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<p>科學(xué)家們說(shuō),如果目前冰的減少速度持續(xù)下去,未來(lái)十年,北極將出現(xiàn)一個(gè)沒(méi)有冰的夏天。</p>
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<p>北極海冰有許多好處,例如:</p>
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<p>抑制永凍層融化釋放甲烷</p>
<p><br />增加入射太陽(yáng)輻射被反射的比例</p>
<p>維持調(diào)節(jié)北半球天氣模式的全球洋流</p>
<p><br />為極地野生動(dòng)物提供棲息地。</p>
<p><br />這種方法包括將海水泵過(guò)一個(gè)漂浮的圓錐形浮標(biāo),然后海水在寒冷的北極大氣中凍結(jié),形成一個(gè)越來(lái)越大的圓錐形冰。當(dāng)冰堆積時(shí),有槽的管道可以讓水被泵到更高的地方??茖W(xué)家說(shuō),一旦達(dá)到3米的高度,新形成的冰很可能會(huì)在夏季融化季節(jié)中幸存下來(lái),成為有價(jià)值的“多年冰”,至少會(huì)在兩個(gè)夏季融化期間幸存下來(lái)。這是一個(gè)理想的結(jié)果:更厚、更強(qiáng)的常年冰出現(xiàn)在夏季,全年都有好處。該項(xiàng)目名為“冰層增厚-氣候修復(fù)”,研究了使用“冰火山”方法在冬季增加北極海冰的產(chǎn)量。</p>
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<p>凱蒂開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)化的二維模型,用來(lái)預(yù)測(cè)“冰火山”在冰點(diǎn)溫度下的淡水和高于冰點(diǎn)溫度下的淡水的行為。接下來(lái)是實(shí)驗(yàn)分析,使用一個(gè)映射到二維模型的狹窄通道。實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)溫度為-18°C的步入式冰箱中進(jìn)行的。不同溫度和鹽度的水(淡水和北極海水鹽度的水)被泵過(guò)通道,穿過(guò)一層冰冷的“原始冰”,讓其結(jié)冰或融化。然后計(jì)算得到的冰厚度的變化。</p>
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<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1669102042316/1669102042316.jpg" width="590" height="288" /></p>
<p>“冰火山”示意圖。海水從下面被泵到一個(gè)漂浮的浮標(biāo)上,然后在那里凝結(jié)成一個(gè)錐形的“火山”。當(dāng)冰堆積時(shí),有槽的管道可以讓水被泵到更高的地方。垂直尺度被夸大了。圖片來(lái)源:Katy Cartlidge。</p>
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<p>從理論和實(shí)驗(yàn)上看,對(duì)于處于冰點(diǎn)溫度的水來(lái)說(shuō),結(jié)果是很有希望的:沿著海峽,冰很容易均勻地形成,這表明“冰火山”可以成功而均勻地形成。淡水和咸水的實(shí)驗(yàn)積冰量都超過(guò)了理論預(yù)測(cè),這可能是由于模型中忽略了來(lái)自空氣的熱通量。</p>
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<p>然而,對(duì)于高于冰點(diǎn)溫度的水,結(jié)果就不那么令人鼓舞了。人們發(fā)現(xiàn),這導(dǎo)致了入口附近冰的大量流失,即使是比冰點(diǎn)溫度高幾度的水,盡管在水道的下游仍然會(huì)產(chǎn)生冰。在“冰火山”的背景下,這暗示著管道周?chē)谋鶇^(qū)域可能在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完全被侵蝕,形成一個(gè)“冰甜甜圈”,除非水的溫度在其結(jié)冰溫度的非常窄的范圍內(nèi)。</p>
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<p>凱蒂說(shuō):“這種可接受的水溫范圍太窄,帶來(lái)了可操作性問(wèn)題。”“在特定溫度下,一座‘冰火山’融化的冰甚至可能比它產(chǎn)生的冰還要多,這使它完全不可行,而且適得其反。”</p>
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<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1669102065095/1669102065095.jpg" width="590" height="288" /></p>
<p>指水在冰的融化溫度以上進(jìn)入的情況。冰在管道周?chē)磺治g,形成一個(gè)甜甜圈的形狀。圖片來(lái)源:Katy Cartlidge。</p>
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<p>凱蒂說(shuō):“這對(duì)冰火山來(lái)說(shuō)是有益的,因?yàn)槿绻诨臏囟雀哂谒Y(jié)冰的溫度,水可能高于冰點(diǎn)溫度,但仍然不能融化冰,增加了可操作的溫度范圍。”“然而,如果海水足夠溫暖,它仍然會(huì)導(dǎo)致上述災(zāi)難性的冰損失,使冰火山失效。”實(shí)驗(yàn)分析也擴(kuò)展到鹽水中,發(fā)現(xiàn)有一些顯著的差異,包括融化溫度高于鹽水本身的凍結(jié)溫度。鹽的存在改變了水的熱性質(zhì)。</p>
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<p>對(duì)于這一主題的進(jìn)一步研究,Katy的建議包括:</p>
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<p>建立了三維錐體和鹽水的理論模型</p>
<p><br />通過(guò)考慮從水到大氣的對(duì)流、輻射和蒸發(fā),并去除半無(wú)限冰的假設(shè),在長(zhǎng)時(shí)間尺度上提高模型的準(zhǔn)確性<br />詳細(xì)調(diào)查波紋和/或溪流的形成,并確定它們對(duì)結(jié)冰的影響</p>
<p><br />繼續(xù)用鹽水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,最好是使用一個(gè)錐,時(shí)間跨度更長(zhǎng)</p>
<p><br />考慮到一座“冰火山”所需的能量的大小和來(lái)源</p>
<p><br />探索“冰火山”的海洋和空氣溫度,并將其與北極天氣模式聯(lián)系起來(lái),以建議如何、何地和何時(shí)實(shí)施<br />開(kāi)始詳細(xì)設(shè)計(jì)“冰火山”,然后在北極條件下建造和測(cè)試原型。</p>
<p><br />凱蒂說(shuō):“在北極這樣一個(gè)獨(dú)特而脆弱的環(huán)境中工作,有必要格外小心。在考慮在北極進(jìn)行任何試驗(yàn)之前,將在北極條件下進(jìn)行大量試驗(yàn),比如我在步入式冷凍室中進(jìn)行的那些試驗(yàn)。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、氣候和野生動(dòng)物的潛在影響將在每個(gè)階段進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估,包括倫理和利益相關(guān)方參與在內(nèi)的正式批準(zhǔn)過(guò)程,即使是小規(guī)模的實(shí)地工作也將是詳盡的,如果觀察到不可預(yù)見(jiàn)的負(fù)面影響,實(shí)驗(yàn)也將停止。”</p>
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<p>凱蒂的導(dǎo)師是Shaun Fitzgerald博士,他是劍橋大學(xué)氣候修復(fù)中心的工程教學(xué)研究員和研究主任。</p>
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<p>關(guān)于劍橋氣候修復(fù)中心</p>
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<p>劍橋大學(xué)氣候修復(fù)中心正與劍橋大學(xué)的劍橋零度合作,保護(hù)我們的地球免受全球變暖的災(zāi)難性影響。該中心的使命有三個(gè):減少二氧化碳排放;從大氣中去除多余的二氧化碳;重新凍結(jié)北極</p>
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<p>注:本文由院校官方新聞直譯,僅供參考,不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p>
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