Zee-ijs is ingewikkelder dan je zou denken. Het is niet solide. Het is veel meer als een spons, doorgeschoten met kleine kanaaltjes en poriën die zout kunnen bevatten, zout zeewater, of luchtbellen.

Die structuur is van belang bij een olieramp. Olie is lichter dan zeewater, dus als het wordt gemorst, het kan naar boven migreren, in de kleine kanaaltjes in het ijs, die het kan opsluiten en het opruimen bemoeilijken. Maar de waarheid is dat Arctisch zee-ijs zo complex is dat het moeilijk is om precies te weten hoe olie en ijs op elkaar inwerken.

Het bestuderen ervan is ook moeilijk omdat traditionele steekproeven en tests de structuur die je probeert te begrijpen, kunnen verpletteren of vervormen, zegt Sönke Maus, een postdoc aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie. en lid van een internationale onderzoeksgroep genaamd MOSIDEO (Microscale interaction of oil with sea ice for detection and environmental risk management in sustainable operations).

"We kijken naar kanalen met een diameter van een tiende van een millimeter, ' zei Maus. 'En als we willen weten wat er in het ijs gebeurt, we hebben een driedimensionaal beeld nodig."

Moeilijk om een ​​olieramp onder het ijs te evalueren

Dit is hoe Maus het probleem beschrijft:als er ruwe olie in de oceaan wordt gemorst, het drijft normaal. Maar als de olie vrijkomt of wordt gemorst onder een deksel van zee-ijs, het zal worden gevangen onder het ijs.

"Afhankelijk van de microstructuur van het zee-ijs, de olie kan vast komen te zitten of kan naar de oppervlakte blijven stijgen, zei hij. "Dus als we de gevolgen voor het milieu van een olieramp onder het ijs willen evalueren, we willen echt weten wanneer en of de olie aan de oppervlakte komt, hoe ver het ijs zal drijven voordat de olie aan de oppervlakte komt, en hoeveel van de olie er in het ijs vast komt te zitten als het ijs uiteindelijk smelt."

Als dat niet moeilijk genoeg klinkt, er zijn nog meer uitdagende vragen die moeten worden beantwoord om erachter te komen hoe om te gaan met een olieramp, zegt Maus.

Een week om te handelen

Eerst, onthoud dat zee-ijs meer een spons is dan een vaste stof. De kanalen en poriën in het zee-ijs zijn verschillend, afhankelijk van waar ze zich in het ijs bevinden. Aan het oppervlak, waar het ijs in contact is met koude luchttemperaturen, zee-ijs heeft kleinere en minder verbonden poriën.

Maus zegt dat olie normaal gesproken alleen grotere poriën binnendringt en ook het zeewater uit de poriën moet duwen. In de winter is het ijs aan de oppervlakte vaak te koud om dit toe te laten, en de olie zal worden opgesloten. Maar in de lente, of wanneer het ijs opwarmt bij warm weer, olie kan naar de oppervlakte migreren.

Zodra de olie aan de oppervlakte komt, "je moet heel snel handelen, ", zegt Maus. "De enige realistische manier om deze olie van het oppervlak van een gesloten ijslaag te verwijderen, is door hem te verbranden. Echter, het grootste deel van de olie kan alleen worden verbrand gedurende een periode van doorgaans een week."

Na een week, de olie zou "verweerd" zijn. Het heeft bepaalde componenten verloren en vermengd met water en kan niet meer worden verwijderd door het te verbranden.

"Deze olie bedreigt dan het arctische ecosysteem, ' zegt Maus.

Medische beelden op ijs

Maus en zijn collega's, waaronder Martina Lan Salomon, een MOSIDEO Ph.D. kandidaat, het gebruik van röntgenmicrotomografie perfectioneren om het ijs te bestuderen, met het uiteindelijke doel om al deze onbekenden aan te pakken, zodat ze beter kunnen voorspellen wat er zal gebeuren met olielozingen in het noordpoolgebied.

Het belangrijkste doel van MOSIDEO, waaronder onderzoekers van NORUT, het Noordelijk Onderzoeksinstituut, NORUT Narvik, NTNU en de Universiteit van Alaska, is om meer te leren over de interacties tussen olie en zee-ijs. De onderzoekers hopen dat hun werk de risicobeoordeling en noodplanning voor olielozingen zal verbeteren. Het wordt tot eind 2018 gefinancierd door de Onderzoeksraad van Noorwegen.

De aanpak die de onderzoekers gebruiken, is gebaseerd op een hogere resolutieversie van de technologie waarmee uw arts een CT-scanbeeld kan maken.

Eigenlijk, de onderzoekers maken een reeks opeenvolgende tweedimensionale afbeeldingen van een zee-ijsmonster terwijl het ronddraait. Dit levert duizenden 2D-transmissiebeelden op die kunnen worden gebruikt om de interne structuur van het zee-ijs te reconstrueren. Een reconstructie gemaakt met behulp van een krachtig wiskundig algoritme, transformeert deze afbeeldingen in een reeks grijswaarden die verschillende materiaaldichtheden voor ijs weerspiegelen, pekel, zoutkristallen en lucht. ). In de praktijk is het 3D-beeld, typisch 2000 x 2000 x 2000 "voxels, " of het 3D-equivalent van een pixel, wordt vaak opgeslagen als een stapel van 2-d plakjes.

"Vijftien jaar geleden had je hiervoor een supercomputer nodig, "Maar nu kunnen we een beeld van 30 gigabyte analyseren met een goede grafische kaart en goede software." De onderzoekers hebben via RECX ook toegang tot een CT-scanner op de universiteit, het Noorse centrum voor röntgendiffractie, verstrooiing en beeldvorming (recx.no).

Salomons Ph.D. wordt gesponsord door een Duits softwarebedrijf genaamd Math2Market, dat maakt de software die de wetenschappers gebruiken om hun ijzige beelden te analyseren.

Van Hamburg naar Spitsbergen

Maar beeldmateriaal en software zijn slechts het topje van de ijsberg, bij wijze van spreken. Om zee-ijs te bestuderen, je moet zee-ijs hebben, en om olielozingen in zee-ijs te bestuderen, je moet wat olielozingen veroorzaken.

Maus en Salomon pakken dit probleem op twee manieren aan. De eerste is om hun olielekkage-experimenten uit te voeren in een ijsbassin in Hamburg, Duitsland, genaamd de HSVA, of het Hamburgse scheepsmodelbekken.

Hier, ze kunnen de omstandigheden beheersen terwijl ze hun studieaanpak ontwikkelen. Ze bevriezen een reeks lange kartonnen buizen in het ijs, zoals dezelfde soort die je zou kunnen gebruiken om een ​​kaart of poster op te slaan. Ze kunnen dan olie in de bodem van alle buizen brengen. Elke dag, ze nemen een monster uit een nieuwe buis en kijken hoe de olie van dag tot dag beweegt.

Experimenteel zee-ijs is goed, natuurlijk, maar nog beter is om te zien wat er in de echte wereld gebeurt. Om dit te doen, de onderzoekers zijn naar de Noorse eilandenarchipel Svalbard gereisd, waar ze sneeuwscooters rijden van de belangrijkste stad Longyearbyen naar een kleine buitenpost genaamd Svea, ongeveer twee uur rijden.

Meer bevroren buizen, en toestemming om olie te morsen

In de winter en het voorjaar van 2016 Salomon en Maus hebben 15 kartonnen kokers in het zee-ijs buiten Svea ingevroren, en kreeg toestemming van de Svalbard-autoriteiten om hun eigen mini (en zorgvuldig gecontroleerde) olieramp te creëren, door olie en diesel in de buizen te brengen.

Een keer per week, ze keerden terug naar Svea om de buizen te bemonsteren, waardoor ze konden zien hoe de olie naar boven bewoog, en hoe de microstructuur van het ijs in de loop van de tijd veranderde.

Salomon kan de monsters terugbrengen naar het laboratorium van UNIS, het Universitair Centrum in Svalbard, en centrifugeer de olievrije monsters om al het zeewater te verwijderen. Ze kan vervolgens röntgenmicrotomografiebeelden van het zee-ijs maken om het te vergelijken met microstructuren van zee-ijs met geïntroduceerde olie.

Het ijs moet op de juiste temperatuur worden gehouden om de structuren erin te behouden - wat op zichzelf een andere uitdaging is als de onderzoekers het ijs naar het vasteland van Noorwegen moeten transporteren. of naar Duitsland, waar ze toegang hadden tot een speciale faciliteit die veel sneller was en een betere beeldkwaliteit kon produceren. Tot dusver, het gebruik van speciale bevroren blokken - het 'blauwe ijs' dat mensen in hun picknickmand kunnen gebruiken om bederfelijk voedsel koud te houden - werkt goed. Op Spitsbergen, waar de luchttemperatuur eigenlijk veel kouder is dan het zee-ijs, de onderzoekers hebben het tegenovergestelde probleem.

"We willen niet dat het ijs te koel is, "Zei Maus. "Dus we hebben speciale geïsoleerde dozen die we tot de juiste temperatuur kunnen verwarmen terwijl we terugrijden van Svea naar Longyearbyen."

5 tot 7 procent van de wereldzeeën

Op dit moment, de twee onderzoekers perfectioneren nog steeds hun beeldvormingstechnieken en bouwen computermodellen die hen zullen helpen de structuur van zee-ijs tot in de kleinste poriën te beschrijven.

De volgende stap is om deze informatie te gebruiken om te voorspellen hoe de olie in het ijs zal bewegen, zei Maus.

"In het geval van een ernstige olieramp in het noordpoolgebied, de resultaten van ons project zullen belangrijk zijn om de schade aan het milieu te minimaliseren, ' zei Maus.

Maar de structuur van zee-ijs is veel belangrijker dan olielozingen, terwijl wetenschappers ernaar streven klimaatverandering te begrijpen, Arctische ecosystemen en het ontwikkelen van een meer substantiële informatiebasis voor Arctische engineering, hij zei.

"Het is een belangrijke stap in het begrijpen van poreus zee-ijs dat bedekt, gemiddeld, 5-7 procent van de wereldzeeën, en speelt een sleutelrol bij het bepalen van het klimaat en het milieu op aarde in koude gebieden, " hij zei.