「氷の火山」は海氷の再生に役立つのでしょうか？

工学部の学部生であるケイティ・カートリッジさん（2018年）は4年目のプロジェクトで、「氷火山」として知られる提案に北極の海氷を回復する手段があるかどうかを評価した。

気候変動により北極の夏の海氷が驚くべき速度で減少している現在、ケイティは理論モデリングと実験解析を利用して、「氷火山」の実現可能性とその環境に対する感受性を評価した。

科学者らは、現在の氷の減少速度が維持されれば、今後10年以内に北極で氷のない夏が訪れるだろうと述べている。

北極の海氷には、次のような多くの利点があります。

この方法では、海水を浮遊円錐形のブイの上に汲み上げ、そこで海水を北極圏の冷たい大気中で凍結させ、成長する円錐形の氷を生成します。溝付きパイプにより、氷が蓄積するにつれて水をより高い位置に汲み上げることができます。科学者らは、高さが3メートルに達すると、新しく形成された氷は夏の融解期を乗り越え、少なくとも2回の夏の融解にも耐えられる貴重な「複数年氷」になる可能性が高いと述べている。これは望ましい結果です。夏に存在する、より厚く、より強い複数年の氷が、一年中その恩恵をもたらします。「氷の厚さ – 気候修復」と題されたこのプロジェクトは、冬に北極海の氷の生産量を増やすための「氷火山」法の使用を調査した。

「提案されている他の地球工学プロジェクトと比較した『氷火山』の大きな利点は、単に自然活動を増強するだけであり、なじみのない化学物質やプロセスを環境に導入しないことです。」 - ケイティ・カートリッジリッジ

ケイティは、氷点下での淡水と、氷点下を超える温度での淡水の「氷火山」の挙動を予測するための単純化された 2 次元モデルを開発しました。次に、2 次元モデルにマッピングする狭いチャネルを使用した実験解析が続きました。実験は温度 –18°C のウォークイン冷凍庫で行われました。さまざまな温度と塩分濃度の水（淡水と北極海水の塩分濃度の水）が、冷たい「元の氷」の層の上のチャネルを通って汲み上げられ、凍結または融解を引き起こしました。次に、結果として生じる氷の厚さの変化が計算されました。

「氷火山」の図。海水は下から浮遊ブイにポンプで汲み上げられ、そこで凍って円錐形の「火山」になります。溝付きパイプにより、氷が蓄積するにつれて水をより高い位置に汲み上げることができます。縦のスケールは誇張してあります。クレジット: ケイティ・カートリッジ。

理論的にも実験的にも、氷点下の水については有望な結果が得られた。氷は水路に沿って容易かつ均一に形成され、「氷の火山」が成功して均一になる可能性があることを示している。実験による氷の蓄積は、淡水と海水の両方で理論的予測を上回りました。これは、モデルで無視されていた空気からの熱流束が原因である可能性があります。

しかし、氷点下温度を超えて水路に流入する水については、あまり期待できる結果ではありませんでした。この結果、氷点下で氷がまだ生成されているにもかかわらず、氷点下でほんの数度水が氷点下にある場合でも、入口近くの氷が大幅に失われることがわかりました。「氷の火山」という文脈で言えば、これは、水が凍結温度の非常に狭い範囲内にない限り、パイプを囲む氷の領域が数時間以内に完全に侵食され、「アイスドーナツ」が形成される可能性があることをほのめかしています。

「この許容可能な水温の範囲が狭いため、操作性に問題が生じます」とケイティ氏は言う。「特定の温度では、『氷火山』は生成する氷よりも多くの氷を溶かす可能性さえあり、まったく実行不可能で逆効果になります。」

氷の融解温度を超えて水が侵入する状況を示します。パイプの周囲に氷が浸食され、ドーナツ状になります。クレジット: ケイティ・カートリッジ。

「これは氷火山にとって有益な効果をもたらします。なぜなら、水が凍る温度よりも高い温度で氷が溶けると、水は氷点下温度を超えても氷が溶けない可能性があり、動作可能な温度の範囲が広がるからです」とケイティ氏は述べた。。「しかし、もし塩水が十分に暖かかったとしても、上記のような悲惨な氷の損失を引き起こし、氷火山の機能を無効にしてしまうでしょう。」実験分析は塩水にも拡張されましたが、塩水自体の凝固温度よりも融解温度が高いなど、いくつかの顕著な違いがありました。塩の存在は水の熱特性を変化させます。

このトピックに関するさらなる作業に対する Katy の推奨事項は次のとおりです。

ケイティは、「北極のような独特で脆弱な環境で作業する場合は、細心の注意を払う必要がある。私がウォークイン冷凍庫で行ったような北極条件での広範な試験は、熟考する前に行われるだろう」と語った。生態系、気候、野生生物への潜在的な影響は各段階で慎重に評価され、たとえ小規模な野外作業であっても倫理や利害関係者の関与を含む正式な承認プロセスが徹底的に行われ、実験は中止されるだろう。予期せぬ悪影響が観察された場合。」

ケイティは、ケンブリッジの気候変動修復センターのエンジニアリングフェロー兼研究ディレクターであるショーン・フィッツジェラルド博士によって監督されています。

ケンブリッジの気候修復センターについて

ケンブリッジの気候修復センターは、ケンブリッジ大学のケンブリッジゼロと連携して、地球温暖化の悲惨な影響から地球を守るために活動しています。同センターの使命は 3 つあります。CO2 排出量を削減することです。大気から過剰な CO2 を除去します。そして北極を再凍結させます。

この記事はもともとケンブリッジ大学工学部によって公開されたものです。これは、クリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいて複製されています。