Гравітаційний дренаж морського льоду (; гравітаційний дренаж;)
Коли морська вода замерзає, ніякі молекули та іони, включаючи солі, не можуть бути зв’язані з льодом через отриману структуру кристалічної решітки, і відбувається поділ на дві фази. Кристалічна решітка твердого льоду майже повністю складається з молекул води. Сіль, що міститься в морській воді, не може вбудовуватися в кристалічну решітку льоду, але концентрується в морському льоді в невеликих каналах і камерах у вигляді рідкого солоного розсолу.
Такі гази, як кисень і вуглекислий газ, які не можуть бути включені в кристалічну решітку льоду, також укладені в малі канали. Оскільки цей процес не є абсолютним, вміст солі у воді не падає до 0, а приблизно до 10 на тисячу, коли вона приймає твердий стан льоду. [1] Спочатку не пов'язані між собою кристали льоду консолідуються, утворюючи матрицю, у взаємопов'язаних просторах якої захоплюється насичений сіллю розсіл. Застосовується наступне: чим холодніший лід, тим більше солі викидається з льоду і тим більше концентрований розсіл знаходиться в каналах. [2]
Гравітаційний дренаж - це процес опріснення, при якому розсіл стікає з льоду в підводну морську воду під дією сили тяжіння. У міру зростання льоду та збільшення товщини льоду поверхня льоду поступово піднімається над рівнем морської води, щоб підтримувати ізостатичну рівновагу. Підйом створює гідростатичний тиск у сполученій поровій системі, що витісняє розсіл. Крім того, негативний зимовий градієнт температури спричиняє нестійку стратифікацію щільності. Холодний і, отже, більш щільний розсіл на поверхні льоду наноситься на більш теплий і, отже, більш легкий розсіл у нижній частині льоду. Це призводить до конвекційного потоку в каналах розсолу, який виводить більш щільний розсіл із льоду. Цей процес призводить до опріснення льоду та утворення дренажної системи.
Рисунок: Схематичне зображення морських крижин, їх термінологія та кліматичні процеси (графік AWI)
В принципі, розсольні канали можуть мати діаметр від мікрометрів (мкм) до міліметрів (мм). Вони утворюють своєрідну розгалужену дренажну систему і роблять морський лід дуже пористим.
Разом із сезонним вмістом солі та коливаннями температури змінюється відносна частка розсолу в загальному обсязі льоду. Об'єм пор може становити більше 35 відсотків загального обсягу для дуже теплого багаторічного льоду, але він також може приймати типові значення менше п'яти відсотків обсягу льоду для дуже холодного багаторічного льоду. Іони солі (NaCl), які частково виділяються морським льодом, а частково також під час утворення морського льоду, накопичуються під морським льодом.
До цього лід, який створюється з морської води із вмістом солі 34 на тисячу, досягає температури, наприклад, -6 градусів Цельсія. Це означає, що концентрація розсолу буде близько 100 проміле. Якщо з часом температура опускається до -10 градусів Цельсія, концентрація солі в розсолі зростає до 145 на тисячу. [3] Також можна спостерігати, що кількість каналів зменшується зі зниженням температури. Менші канали сходяться, утворюючи більші збиральні канали, які часто йдуть у вертикальному напрямку. Це робить морський лід структурно схожим на губку, особливо коли розсіл стікає з льоду.
В результаті стоку розсолу загальний вміст солі в льоді з часом падає з початкового значення понад 10 на тисячу до менш ніж 5 на тисячу. Більш старий лід, такий як багаторічний лід, має менший вміст солі (близько 3 до 3,5 ‰), ніж молодший, річний лід (5 ‰) через це витікання солі. Вміст солі не рівномірно розподіляється по льоду по вертикалі. У випадку багаторічного льоду він збільшується вниз, тоді як солоність льоду першого року на поверхні висока (8-16 ‰), потім зменшується і знову збільшується біля нижнього краю льоду. [4]
[1] П. Вадхемс, Лід в океані, Gordan and Breach Science Publisher, 2000, с. 49
[2] Г. Хемпель та І. Хемпель, Faszination Meeresforschung, Екологічна читанка, Verlag H. M. Hauschild GmbH, Бремен, 2006, с. 42
[3] Д. Н. Томас та Г. С. Діекманн, Замерзлий океан, Плавучий світ зграї льоду, Музей природознавства, Лондон, 2004, с. 23
[4] В. Б. Таккер та ін., Фізичні властивості морського льоду, що мають значення для дистанційного зондування, у Carsey, 1992, с. 9-28