Varm is kan bryde anderledes end kold is

Forskere ved Aalto Universitet har fundet stærke beviser for, at varm is - dvs. is meget tæt i temperatur på nul grader Celsius - kan sprække anderledes sammenlignet med den slags is, der typisk studeres i laboratorier eller naturen. En ny undersøgelse offentliggjort i Kryosfæren ser nærmere på fænomenet, studeret ved verdens største indendørs istank på Aaltos campus.

At forstå, hvordan isen går i stykker, er afgørende for at sikre sikre havne og broer i kølige klimaer, samt transport gennem historisk istunge egne. Da den globale opvarmning bringer ændringer til engang forudsigelige sæsonbestemte forhold, reglerne, der ligger til grund for infrastrukturteknik, bliver testet på tværs af grænser og kontinenter.

"Vi er nødt til at studere varm is, fordi det er det, vi ser i naturen; global opvarmning sker. Isens mekaniske egenskaber, og hvordan den reagerer på kraft, kan være fundamentalt anderledes, når den er varm frem for kold, som vi traditionelt studerer det, " siger Iman El Gharamti, hovedforfatter af papiret og ph.d.-studerende ved Aalto Universitet.

At studere, hvordan varm is reagerer på gentagne runder af kraft - kendt i felten som cyklisk mekanisk belastning, som simulerer forholdene i naturen – holdet gjorde brug af Aalto Universitets istank. Måler 40 meter bred og 40 meter lang, det 2,8 m dybe bassin anses for at være det største af sin art i verden.

Typisk, isbrud studeres i små skalaer, ofte kun 10 til 20 centimeter i længden, ved temperaturer på -10 grader Celsius eller koldere. I dette studie, holdet brugte mere end én fod tykke isplader med ferskvand, der målte 3 gange 6 meter. De styrede også præcist den omgivende lufttemperatur, og isen var, i frosne termer, varm ved en mild -0,3 grader celsius.

Med en hydraulisk læsseanordning udførte holdet flere omgange med lastning og losning på isen. Den nuværende forståelse på området tyder på, at is vil vise viskoelastisk genopretning - adskilt fra den umiddelbare elastiske reaktion, det er tidsrelateret, forsinket elastisk respons - mellem belastninger, i det mindste indtil enheden får besked på at udøve nok kraft til fuldstændig at splitte isen.

Under de fastsatte betingelser, imidlertid, isen opførte sig på en uventet måde:den viste en vis elastisk genopretning, men ingen signifikant viskoelastisk genopretning overhovedet. Faktisk, isen var permanent deformeret.

"Det, vi typisk ser mellem mekaniske belastninger, er, at isen genopretter sig - den springer tilbage til normal formation, indtil vi med vilje påfører så meget kraft, at den permanent revner. I vores forskning, isen blev mere og mere deformeret efter hver belastning, og vi opdagede ingen signifikant forsinket elastisk genopretning, " forklarer El Gharamti.

Den væsentligste medvirkende faktor synes at være isens temperatur. Denne forskning er den første, der viser, at varm is kan opføre sig på en fundamentalt anderledes måde end den kolde is, der normalt studeres.

"Det faktum, at isen ikke udviste forsinket elastisk respons, passer ikke til vores konventionelle forståelse af, hvordan is kan klare gentagne kraftrunder. Vi tror, ​​at det er på grund af, hvordan isens granulære niveau opfører sig, når det er varmt, men vi skal stadig lave mere forskning for at finde ud af, hvad der foregår, " siger Jukka Tuhkuri, professor i fast mekanik ved Aalto Universitet.

Da varmere forhold i stigende grad forventes i tidligere kolde områder som De Store Søer eller Østersøen - et af verdens travleste havområder - siger Tuhkuri, at det er afgørende at forstå mekanikken bag varm is.

"En langtidsmåling af isbelastning på en isbryder i Østersøen har tidligere vist, overraskende, at den største isbelastning fandt sted i løbet af foråret, når vejret varmer. Hvis vores skibe og infrastruktur som broer og vindmøller er designet til nogenlunde forudsigelige årstider, vi skal vide, hvad der sker, når den globale opvarmning bringer nye forhold. Det ser ud til, at de gamle regler måske ikke holder, " siger Tuhkuri.

Resultaterne vil blive offentliggjort i Kryosfæren .