Гравитационен дренаж на морски лед (; гравитационен дренаж;)
Когато морската вода замръзне, никакви молекули и йони, включително соли, не могат да бъдат свързани в леда поради получената кристална решетъчна структура и се получава разделяне на две фази. Кристалната решетка от твърд лед се състои почти изцяло от водни молекули. Солта, съдържаща се в морската вода, не може да бъде вградена в кристалната решетка на леда, а е концентрирана в морския лед в малки канали и камери под формата на течна солена саламура.
Газове като кислород и въглероден диоксид, които не могат да бъдат включени в кристалната решетка на леда, също са затворени в малки канали. Тъй като този процес не е абсолютен, съдържанието на сол във водата не спада до 0, а до около 10 на хиляда, когато приема твърдо състояние на лед. [1] Първоначално несвързаните ледени кристали се консолидират, за да образуват матрица, във взаимосвързаните пространства, на която се улавя богатата на сол саламура. Прилага се следното: колкото по-студен е ледът, толкова повече сол се изхвърля от леда и толкова по-концентрирана е саламурата в каналите. [2]
Гравитационният дренаж е процес на обезсоляване, при който саламурата се оттича от леда в подлежащата морска вода под действието на гравитацията. Тъй като ледът расте и дебелината на леда се увеличава, повърхността на леда постепенно се издига над нивото на морската вода, за да се поддържа изостатично равновесие. Повдигането води до хидростатично налягане в свързаната пореста система, което изхвърля саламурата. Освен това зимният отрицателен температурен градиент причинява нестабилна стратификация на плътността. Студената и следователно по-плътна саламура на повърхността на леда се наслоява върху по-топла и следователно по-лека саламура в долната част на леда. Това води до конвекционен поток в каналите за саламура, който извежда по-плътния саламура от леда. Този процес води до обезсоляване на леда и формиране на дренажната система.
Фигура: Схематично представяне на морските ледени плочки, тяхната терминология и свързани с климата процеси (графика AWI)
По принцип каналите за саламура могат да имат диаметър от микрометри (µm) до милиметри (mm). Те образуват вид разклонена дренажна система и правят морския лед много порест.
Заедно със сезонното съдържание на сол и температурните колебания, относителният дял на саламурата в общия обем на леда се променя. Обемът на порите може да бъде над 35% от общия обем за много топъл многогодишен лед, но също така може да приеме типични стойности от по-малко от пет процента от обема лед за много студен многогодишен лед. Солените йони (NaCl), които се освобождават отчасти от морския лед, а отчасти и по време на образуването на морския лед, се натрупват под морския лед.
Преди това ледът, който се създава от морска вода със съдържание на сол 34 на хиляда, достига температура от -6 градуса по Целзий, например. Това означава, че концентрацията на саламура ще бъде 100 на хиляда. Ако температурата спадне до -10 градуса по Целзий с течение на времето, концентрацията на сол в саламурата се увеличава до 145 на хиляда. [3] Също така може да се забележи, че броят на каналите намалява с намаляване на температурата. По-малките канали се сближават, за да образуват по-големи събирателни канали, които често се движат във вертикална посока. Това прави морския лед структурно подобен на гъба, особено когато саламурата изтича от леда.
В резултат на оттичането на саламурата, общото съдържание на сол в леда пада с течение на времето от първоначално над 10 на хиляда до под 5 на хиляда. По-старият лед, като многогодишния лед, има по-ниско съдържание на сол (около 3 до 3,5 ‰) от по-младия, годишен лед (5 ‰) поради това изтичане на солта. Съдържанието на сол не е равномерно разпределено вертикално в леда. В случай на многогодишен лед, той се увеличава надолу, докато солеността на леда от първата година на повърхността е висока (8 до 16 ‰), след това намалява и отново се увеличава близо до долния ръб на леда. [4]
[1] P. Wadhams, Ice in the Ocean, Gordan and Breach Science Publisher, 2000, стр. 49
[2] G. Hempel и I. Hempel, Faszination Meeresforschung, Екологична книга за четене, Verlag H. M. Hauschild GmbH, Бремен, 2006, стр. 42
[3] D. N. Thomas и G. S. Dieckmann, Frozen Ocean, The floating world of pack ice, Natural History Museum, London, 2004, p. 23
[4] W. B. Tucker et al., Физически свойства на морския лед, свързани с дистанционното наблюдение, в Carsey, 1992, стр. 9-28