De omstandigheden in de Arctische wateren behoren tot de meest extreme ter wereld. Sterke wind en stroming duwen ijs krachtig over grote afstanden, resulterend in grote ruggen tot tientallen meters hoog. Tegelijkertijd, de opwarming van de aarde en de toegenomen menselijke aanwezigheid hebben voor nieuwe druk gezorgd in deze noordelijke omgevingen. Toch zijn de mechanismen achter de effecten van ijs op fysieke structuren - vooral op de lange termijn - een open vraag gebleven in een tijd van voortdurende veranderingen in het milieu.

Onderzoekers van de Aalto University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om te beoordelen hoe voortdurend, zware ijsbelastingen tasten constructies zoals bruggen of zelfs windturbines aan in een groot aantal verschillende omstandigheden.

"Rubberen is het proces van hoe ijs - verplaatst door wind en stroming - breekt tegen mariene structuren en hoe het deze structuren beïnvloedt, " legt Jukka Tuhkuri uit, een vooraanstaand ijsonderzoeker en professor aan de Aalto University. "Het proces is extreem gevoelig voor beginvoorwaarden, chaotisch zelfs, wat systematische analyse in het veld ongelooflijk uitdagend maakt."

Om een ​​schat aan scenario's en effecten op zeer lange termijn te voorzien, het op Aalto gebaseerde team maakt gebruik van numerieke experimenten - geavanceerde computersimulaties die gebaseerd zijn op kennis die is opgedaan in het veld - om de effecten te zien van veranderingen op microniveau in bekende elementen van puin.

"Met deze methode we kunnen echt zien wat er gebeurt, omdat we volledige controle hebben over de betrokken factoren. Met echt zee-ijs, die mogelijkheid hebben we gewoon niet, ", zegt universitair docent Arttu Polojärvi.

De precieze simulaties hebben onderzoekers in staat gesteld om meer te weten te komen over de mechanica achter het proces op een manier die nooit eerder mogelijk was.

"Door constant simulaties uit te voeren, we hebben geleerd dat de dikte van ijs verreweg het belangrijkste is als het gaat om de impact van ijsbelastingen op constructies. Drukkracht komt op de tweede plaats, maar we kunnen bijna al het andere vergeten, in tegenstelling tot het conventionele denken in het veld, ' zegt Tuhkuri.

De methode helpt ook bij het aanpakken van de belangrijkste uitdaging van een steeds veranderend klimaat:het voorzien van toekomstige omstandigheden. Door de opwarming van de aarde wordt het poolijs dunner, stormen worden heviger en er beweegt meer ijs. Tegelijkertijd, de algemene omstandigheden in deze regio's versoepelen; industrie en toerisme trekken aan, die risico's met zich meebrengt voor mens en milieu.

"We kunnen de toekomst niet inschatten met de veldgegevens die vandaag beschikbaar zijn. Sterk, dik ijs blijft waar het is, maar zelfs kleine stormen kunnen dun ijs dragen, ", zegt Polojärvi. "We moeten een schatting kunnen maken van de ijsbelasting van 100 of zelfs 500 jaar op permanente constructies, zodat we kunnen garanderen dat ze veilig en duurzaam zijn. terwijl ook de gebruikte materialen worden geminimaliseerd om ze zo duurzaam mogelijk te maken."

Het team presenteert hun werk op vrijdag 7 juni 2019 tijdens een bijeenkomst van een week lang toonaangevende ijsonderzoekers, het IUTAM-symposium over fysica en mechanica van zee-ijs, gehouden aan de Aalto Universiteit in Groot-Helsinki, Finland.

Vragen en antwoorden

V:Zijn er eerder numerieke experimenten gebruikt om ijsladingen te bestuderen?

A:Dit onderzoek is de eerste keer dat numerieke experimenten zijn gebruikt om statistische analyse van ijsbelastingen uit te voeren, het verstrekken van schattingen van toekomstige slijtage van fysieke constructies op zeer lange termijn. Vroeger, onderzoekers hebben ijswrijving bestudeerd - dat is hoe ijs dat door wind en stroming wordt voortgedreven, breekt tegen mariene structuren en hoe het de structuren beïnvloedt - op verschillende manieren:experimenteel in laboratoria, experimenteel door gebeurtenissen op ware grootte te observeren, door theoretische modellen te ontwikkelen, en het gebruik van verschillende numerieke hulpmiddelen.

Vraag:Kan de methode echt voorspellen hoe ijs zich zal gedragen als het klimaat warmer wordt - zelfs eeuwen vooruit?

een:Ja, als collega's in de geofysica kunnen voorspellen hoe ijs dunner en zwakker wordt door de opwarming van de aarde, we kunnen voorspellen hoe de ijsbelasting verandert. Dit komt omdat het nieuwe model is gebaseerd op fundamentele fysieke relaties en, dus, we kunnen de dikte in het model veranderen en kijken wat er gebeurt. Andere modellen zijn mogelijk niet zo gedetailleerd.

V:Welke risico's brengen ijsladingen met zich mee voor mens en milieu?

A:Scheepsconstructies kunnen breken en ongelukken veroorzaken. Als mensen werken aan een platform dat faalt, de gevolgen kunnen ernstig zijn. Structurele storingen kunnen ook erg duur zijn en leiden tot milieurisico's als gevolg van mogelijke lekken in brandstoftanks en brandstofleidingen, enzovoort.