Hvad vil der ske med sedimentfaner forbundet med dybhavsminedrift?

I visse dele af det dybe hav, spredt ud over havbunden, ligger baseball-størrelse klipper lagdelt med mineraler akkumuleret over millioner af år. En region i det centrale Stillehav, kaldet Clarion Clipperton Fracture Zone (CCFZ), anslås at indeholde store reserver af disse klipper, kendt som "polymetalliske knuder, "der er rige på nikkel og kobolt - mineraler, der almindeligvis udvindes på land til produktion af lithium-ion-batterier i elektriske køretøjer, bærbare computere, og mobiltelefoner.

Efterhånden som efterspørgslen efter disse batterier stiger, indsatsen går fremad for at udvinde havet for disse mineralrige knuder. Sådanne dybhavsmineprojekter foreslår at sende traktorstørrelser ned for at støvsuge knuder og sende dem til overfladen, hvor et skib ville rense dem og udlede ethvert uønsket sediment tilbage i havet. Men virkningerne af dybhavsminedrift - såsom effekten af ​​udledt sediment på marine økosystemer, og hvordan disse påvirkninger sammenlignes med traditionel landbaseret minedrift - er i øjeblikket ukendte.

Nu oceanografer ved MIT, Scripps Institution of Oceanography, og andre steder har udført et eksperiment til søs for første gang for at studere den turbulente sedimentfane, som minefartøjer potentielt ville frigive tilbage i havet. Baseret på deres observationer, de udviklede en model, der giver realistiske forudsigelser om, hvordan en sedimentfane, der genereres af minedrift, ville blive transporteret gennem havet.

Modellen forudsiger størrelsen, koncentration, og udvikling af sedimentfaner under forskellige marine- og minedriftsforhold. Disse forudsigelser, siger forskerne, kan nu bruges af biologer og miljøregulatorer til at vurdere, om og i hvilket omfang sådanne faner vil påvirke det omgivende havliv.

"Der er mange spekulationer om [dybhavsminedriftens] miljøpåvirkning, " siger Thomas Peacock, professor i maskinteknik ved MIT. "Vores undersøgelse er den første af sin slags på disse midtvandsfaner, og kan være en stor bidragyder til international diskussion og udvikling af regler over de næste to år."

Holdets undersøgelse vises i dag i Naturkommunikation:Jord og miljø .

Peacocks medforfattere på MIT inkluderer hovedforfatter Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon, Chinmay Kulkarni, Patrick Haley, Chris Mirabito, Rohit Supekar, Andrew Rzeznik, Erik Adams, Cindy Wang, og Pierre Lermusiaux, sammen med samarbejdspartnere hos Scripps, US Geological Survey, og forskere i Belgien og Sydkorea.

Ud til havet

De nuværende forslag til dybhavsminedrift forventes at generere to typer sedimentfaner i havet:"samlerfaner", som køretøjer genererer på havbunden, når de kører rundt og samler knuder 4, 500 meter under overfladen; og muligvis "midwater plumes", der udledes gennem rør, der går ned 1, 000 meter eller mere ind i havets afotiske zone, hvor sollys sjældent trænger ind.

I deres nye undersøgelse, Peacock og hans kolleger fokuserede på midtvandsfanen, og hvordan sedimentet ville spredes, når det blev udledt fra et rør.

"Videnskaben om fanedynamikken for dette scenarie er velbegrundet, og vores mål var klart at etablere den dynamiske ordning for sådanne faner for at informere diskussioner ordentligt, " siger Peacock, der er direktør for MIT's Environmental Dynamics Laboratory.

For at fastlægge denne dynamik, holdet gik ud på havet. I 2018, forskerne gik ombord på forskningsfartøjet Sally Ride og sejlede 50 kilometer ud for det sydlige Californiens kyst. De medbragte udstyr designet til at udlede sediment 60 meter under havets overflade.

"Ved brug af grundlæggende videnskabelige principper fra væskedynamik, vi designede systemet, så det fuldt ud gengav en fane i kommerciel skala, uden at skulle gå ned til 1, 000 meter eller sejl ud flere dage til midten af ​​CCFZ, " siger Peacock.

I løbet af en uge kørte holdet i alt seks faneeksperimenter, ved hjælp af nye sensorsystemer såsom en Phased Array Doppler Sonar (PADS) og epsilometer udviklet af Scripps-forskere til at overvåge, hvor fanerne rejste, og hvordan de udviklede sig i form og koncentration. De indsamlede data viste, at sedimentet, når først pumpet ud af et rør, var en meget turbulent sky af suspenderede partikler, der blandede sig hurtigt med det omgivende havvand.

"Der var spekulationer om, at dette sediment ville danne store aggregater i fanen, der ville sætte sig relativt hurtigt til det dybe hav, " siger Peacock. "Men vi fandt ud af, at udledningen er så turbulent, at den bryder sedimentet op i dets fineste stykker, og derefter bliver det så hurtigt fortyndet, at sedimentet så ikke har en chance for at hænge sammen."

Fortynding

Holdet havde tidligere udviklet en model til at forudsige dynamikken i en fane, der ville blive udledt i havet. Da de indførte eksperimentets startbetingelser i modellen, det producerede den samme adfærd, som holdet observerede på havet, at bevise, at modellen nøjagtigt kunne forudsige fanedynamik i nærheden af ​​udledningen.

Forskerne brugte disse resultater til at give det korrekte input til simuleringer af havets dynamik for at se, hvor langt strømme ville føre den oprindeligt frigivne fane.

"I en kommerciel drift, skibet udleder altid nyt sediment. Men på samme tid blander havets baggrundsturbulens altid tingene sammen. Så du når en balance. Der er en naturlig fortyndingsproces, der finder sted i havet, som bestemmer omfanget af disse faner, " siger Peacock. "Det, der er nøglen til at bestemme omfanget af fanerne, er styrken af ​​havturbulensen, mængden af ​​sediment, der bliver udledt, og det miljømæssige tærskelniveau, hvor der er påvirkning."

Baseret på deres resultater, forskerne har udviklet formler til at beregne skalaen af ​​en fane afhængig af en given miljøtærskel. For eksempel, hvis tilsynsmyndigheder fastslår, at en vis koncentration af sedimenter kan være skadelig for det omgivende havliv, formlen kan bruges til at beregne, hvor langt en fane over denne koncentration ville strække sig, og hvilken mængde havvand, der ville blive påvirket i løbet af en 20-årig knudeminedrift.

"Kernen i miljøspørgsmålet omkring dybhavsminedrift er omfanget af sedimentfaner, " siger Peacock. "Det er et flerskalaproblem, fra mikronskala sedimenter, til turbulente strømme, til havstrømme over tusindvis af kilometer. Det er et stort puslespil, og vi er unikt udstyret til at arbejde med det problem og give svar baseret på videnskab og data."

Holdet arbejder nu på samlerfaner, efter at være vendt tilbage fra flere uger på havet for at udføre den første miljøovervågning af et nodule-samlerfartøj i det dybe hav i over 40 år.

Denne forskning blev delvist støttet af MIT Environmental Solutions Initiative, UC Ship Time Program, MIT Policy Lab, Schmidt Family Foundations 11th Hour Project, Benioff Ocean Initiative, og Fundación Bancaria "la Caixa."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.