Forudsiger skæbne for olieudslip i arktisk havis

Havisen er mere kompliceret, end du måske tror. Det er ikke solidt. Det ligner meget mere en svamp, skudt igennem med bittesmå kanaler og porer, der kan indeholde salt, saltvand, eller luftbobler.

Den struktur har betydning i tilfælde af et olieudslip. Olie er lettere end havvand, så hvis det spildes, det kan migrere opad, ind i de små kanaler i isen, som kan fange det og komplicere oprydning. Men sandheden er, at arktisk havis er så kompleks, at det er svært at vide præcis, hvordan olie og is vil interagere.

At studere det er også svært, fordi traditionel prøvetagning og test kan knuse eller forvrænge selve den struktur, du forsøger at forstå, siger Sönke Maus, en postdoc ved det norske universitet for videnskab og teknologi. og medlem af en international forskningsgruppe kaldet MOSIDEO (Microscale interaction of oil with sea ice for detection and environment risk management in sustainable operations).

"Vi ser på kanaler, der er en tiendedel af en millimeter i diameter, " sagde Maus. "Og hvis vi vil vide, hvad der sker i isen, vi har brug for et tredimensionelt billede."

Svært at vurdere et olieudslip under is

Her er hvordan Maus beskriver problemet:hvis råolie spildes i havet, det flyder normalt. Men hvis olien frigives eller spildes under et låg af havisen, det vil blive fanget under isen.

"Afhængig af havisens mikrostruktur, olien kan blive fanget, eller den kan blive ved med at bevæge sig op mod overfladen, " sagde han. "Så hvis vi ønsker at evaluere de miljømæssige konsekvenser af et olieudslip under is, vi vil virkelig gerne vide, hvornår og om olien kommer til overfladen, hvor langt isen vil drive før olieoverfladen, og hvor meget af olien vil blive fanget i isen, når isen endelig smelter."

Hvis det ikke lyder svært nok, der er endnu mere udfordrende spørgsmål, der skal besvares for at finde ud af, hvordan man håndterer et olieudslip, siger Maus.

En uge til at handle

Først, husk, at havis mere ligner en svamp end et fast stof. Kanalerne og porerne i havisen er forskellige afhængigt af, hvor de er placeret i isen. På dens overflade, hvor isen er i kontakt med kolde lufttemperaturer, havisen har mindre og mindre forbundne porer.

Maus siger, at olie normalt kun kommer ind i større porer og også skal skubbe havvandet ud af porerne. Om vinteren er isen ofte for kold ved overfladen til at tillade dette, og olien bliver fanget. Men i løbet af foråret, eller når isen varmer i varmt vejr, olie kan migrere til overfladen.

Når olien først kommer til overfladen, "Du skal handle meget hurtigt, " siger Maus. "Den eneste realistiske tilgang til at fjerne denne olie fra overfladen af ​​et lukket isdække er at brænde den. Imidlertid, det meste af olien kan kun forbrændes i løbet af et mulighedsvindue på typisk en uge."

Efter en uge, olien siges at være "forvitret". Det har mistet visse komponenter og blandet med vand og kan ikke længere fjernes ved at brænde det.

"Denne olie truer derefter det arktiske økosystem, "Siger Maus.

Medicinske billeder på is

Maus og hans kolleger, herunder Martina Lan Salomon, en MOSIDEO Ph.D. kandidat, perfektionerer brugen af ​​røntgenmikrotomografi til at studere isen, med det ultimative mål at adressere alle disse ukendte ting, så de bedre kan forudsige, hvad der vil ske med olieudslip i Arktis.

Hovedmålet med MOSIEO, som omfatter forskere fra NORUT, det nordlige forskningsinstitut, NORUT Narvik, NTNU og University of Alaska, er at lære mere om samspillet mellem olie og havis. Forskerne håber, at deres arbejde vil forbedre risikovurdering og beredskabsplanlægning for olieudslip. Det er finansieret frem til udgangen af ​​2018 af Norges Forskningsråd.

Den tilgang, forskerne bruger, afhænger af en version med højere opløsning af teknologien, der gør det muligt for din læge at lave et CT-scanningsbillede.

I det væsentlige, forskerne opretter en række på hinanden følgende todimensionale billeder af en havisprøve, mens den roterer. Dette producerer tusindvis af 2-D transmissionsbilleder, der kan bruges til at rekonstruere havisens indre struktur. En rekonstruktion lavet ved hjælp af en kraftfuld matematisk algoritme, forvandler disse billeder til en række gråværdier, der afspejler forskellige materialetætheder for is, saltlage, saltkrystaller og luft. ). I praksis 3-d billedet, typisk 2000 x 2000 x 2000 "voxels, " eller 3D-ækvivalenten til en pixel, opbevares ofte som en stak 2-d skiver.

"For femten år siden skulle du bruge en supercomputer til at gøre dette, " sagde Maus. "Men nu kan vi analysere et 30 gigabyte billede ved hjælp af et godt grafikkort og god software." Forskerne har også adgang til en CT-scanner på universitetet via RECX, det norske center for røntgendiffraktion, spredning og billeddannelse (recx.no).

Salomons ph.d. er sponsoreret af et tysk softwarefirma kaldet Math2Market, hvilket gør den software, som forskerne bruger til at analysere deres iskolde billeder.

Fra Hamborg til Svalbard

Men billeder og software er bare toppen af ​​isbjerget, så at sige. For at studere havis, du skal have havisen, og at studere olieudslip i havisen, du er nødt til at skabe nogle olieudslip.

Maus og Salomon tackler dette problem på to måder. Den første er at køre deres olieudslipseksperimenter i et isbassin i Hamborg, Tyskland, kaldet HSVA, eller Hamborgs skibsmodelbassin.

Her, de kan kontrollere forholdene, mens de udvikler deres studietilgang. De fryser en række lange paprør i isen, som den samme slags, som du måske bruger til at opbevare et kort eller en plakat. De kan derefter indføre olie i bunden af ​​alle rørene. Hver dag, de tager en prøve fra et nyt rør for at se, hvordan olien bevæger sig fra dag til dag.

Eksperimentel havis er godt, selvfølgelig, men endnu bedre er at se, hvad der sker ude i den virkelige verden. At gøre dette, forskerne har rejst til den norske øgruppe Svalbard, hvor de kører snescootere fra hovedbyen Longyearbyen til en lille forpost ved navn Svea, cirka to timer væk.

Flere frosne rør, og tilladelse til at spilde olie

I vinteren og foråret 2016, Salomon og Maus frøs 15 paprør i havisen uden for Svea, og fik tilladelse fra Svalbard -myndighederne til at oprette deres eget mini (og omhyggeligt kontrollerede) olieudslip, ved at indføre olie og diesel i rørene.

En gang om ugen, de vendte tilbage til Svea for at prøve rørene, hvilket tillod dem at se, hvordan olien bevægede sig opad, og hvordan isens mikrostruktur ændrede sig over tid.

Salomon kan tage prøverne tilbage til laboratoriet på UNIS, Universitetscentret på Svalbard, og centrifuger de oliefrie prøver for at fjerne alt havvandet. Hun kan derefter lave røntgenmikrotomografibilleder af havisen for at sammenligne den med mikrostrukturer af havisen med indført olie.

Isen skal holdes ved den rigtige temperatur for at bevare strukturerne inde i den – hvilket i sig selv er endnu en udfordring, hvis forskerne skal transportere isen til det norske fastland, eller til Tyskland, hvor de havde adgang til en særlig facilitet, der var meget hurtigere og kunne producere bedre billedkvalitet. Indtil nu, brugen af ​​særlige frosne blokke - den "blå is", som folk kan bruge i deres picnickurv til at holde letfordærvelige mad kolde - fungerer godt. På Svalbard, hvor lufttemperaturen faktisk er meget koldere end havisen, forskerne har det modsatte problem.

"Vi ønsker ikke, at isen skal være for kølig, "Så vi har specielle isolerede kasser, som vi kan varme op til den rigtige temperatur, mens vi kører tilbage fra Svea til Longyearbyen."

5 til 7 procent af verdenshavene

I øjeblikket, de to forskere perfektionerer stadig deres billedbehandlingsteknikker og bygger computermodeller, der vil hjælpe dem med at beskrive havisens struktur ned til dens mindste porer.

Det næste trin er at bruge disse oplysninger til at forudsige, hvordan olien vil bevæge sig i isen, Sagde Maus.

"I tilfælde af et alvorligt olieudslip i Arktis, resultaterne af vores projekt vil være vigtige for at minimere skader på miljøet, "Sagde Maus.

Men havisens struktur har betydning langt ud over olieudslip, som videnskabsmænd stræber efter at forstå klimaændringer, arktiske økosystemer og udvikle en mere omfattende informationsbase for arktisk teknik, han sagde.

"Det er et vigtigt skridt i forståelsen af ​​porøs havis, som dækker, gennemsnitlig, 5-7 procent af verdenshavene, og spiller en nøglerolle i at bestemme jordens klima og miljø i kolde områder, " han sagde.