Арктический морской лёд движется не всегда так, как можно было бы предсказать, опираясь только на ветер. Новое исследование под руководством Калифорнийского университета в Риверсайде (UC Riverside) указывает на простой, но ранее упускавшийся из виду процесс, который помогает объяснить это расхождение: отдельные льдины постоянно сталкиваются друг с другом. Полученные результаты со временем могут помочь учёным улучшить прогнозы перемещения морского льда в Арктике по мере дальнейшего потепления в регионе.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters. Его возглавил Брайан Шэдди, ранее учившийся в UC Riverside, а теперь работающий в Университете Южной Калифорнии, вместе с материаловедом из UCR Алексом Грини и Бхаргавом Раллабанди, доцентом кафедры машиностроения UCR. Арктический морской лёд не представляет собой единый сплошной панцирь: он разделён на отдельные плиты, известные как льдины. Их размеры варьируются от нескольких метров до нескольких километров в поперечнике.
Ветер гонит льдины по океану, заставляя их дрейфовать и постепенно расходиться. Хотя ветер остаётся одной из главных сил, управляющих движением морского льда, наблюдения давно показывают, что им нельзя объяснить всё. Лёд часто перемещается со скоростями, которые простые модели, основанные только на ветре, не предсказывают. Кроме того, он распространяется по океану гораздо медленнее, чем предполагают такие модели. Учёные предлагали несколько возможных объяснений, включая необычное поведение ветра, океанические вихри и трещины во льду. Новое исследование говорит о том, что многие из этих загадочных закономерностей можно объяснить одним базовым процессом — столкновениями соседних льдин.
«Если собрать много льдин в одном месте при наличии ветра, они сталкиваются друг с другом и передают энергию соседям, — сказал Раллабанди. — Мы показали, что это единственный компонент, необходимый для объяснения этих наблюдений». Чтобы проверить эту идею, исследователи создали компьютерную модель, которая рассматривает плавучий лёд отчасти как зерно, движущееся в силосной башне. Главное отличие в том, что эти «зёрна» плавают на воде и их толкают турбулентные ветры. Модель учитывает сопротивление океана, а также многократные столкновения между льдинами.
Затем исследователи сравнили модель с реальными измерениями в проливе Фрама — проходе между Гренландией и норвежским архипелагом Свальбард. Через этот район в сторону Атлантического океана движется большое количество арктического морского льда. Используя измеренные локальные ветровые и ледовые условия, а также всего один дополнительный параметр, слабо влиявший на общий результат, модель успешно воспроизвела три наблюдения, которые прежде было трудно объяснить. Она совпала с тем, как быстро распространяется морской лёд, с диапазоном скоростей движения отдельных льдин и с тем, как движение льда меняется на промежутках от часов до дней.
Столкновения оказывают сильное влияние, потому что арктический морской лёд может становиться плотно упакованным. В плотных ледовых полях отдельные льдины ударяются о соседние куски гораздо чаще, чем меняется сам ветер. Каждое столкновение отнимает часть энергии, supplied (поставляемой) ветром, и сокращает расстояние, которое льдина может пройти до удара о другой кусок льда. Эта постоянная толкотня помогает объяснить, почему морской лёд не продолжает просто ускоряться и распространяться под действием ветра. Полученные результаты со временем могут улучшить прогнозы переноса морского льда по мере изменения арктических условий. Как площадь океана, покрытая льдом, так и размер отдельных льдин влияют на частоту столкновений. Эти столкновения, в свою очередь, влияют на то, насколько быстро может распространяться ледовое поле. Новая концепция связывает эти малые локальные взаимодействия с движением, происходящим на гораздо больших площадях.
Исследование не определяет точно, как будущее потепление изменит то, где в конечном итоге окажется арктический морской лёд. Однако, по словам Раллабанди, модель может помочь учёным изучать такие вопросы, как возможное более лёгкое расхождение льдин при меняющихся ледовых условиях и их попадание в более тёплые воды, где они могли бы таять быстрее. Работа также может оказаться полезной для климатического моделирования. Глобальные климатические модели не способны отслеживать каждую из огромного числа относительно небольших льдин, покрывающих Арктику. Вместо этого учёным нужны способы описывать их совокупное поведение. Физическая модель взаимодействия льдин могла бы помочь учесть процессы, которые иначе слишком малы для индивидуального отслеживания. Для Раллабанди один из самых важных аспектов исследования в том, что относительно простой физический процесс способен объяснить сложное движение, наблюдаемое в реальном мире.
Те же принципы могут применяться к системам далеко за пределами Арктики. Любая ситуация с множеством объектов, которые сталкиваются, будучи толкаемыми непредсказуемой силой, может вести себя похожим образом. Исследователи указывают на возможные применения в изучении лавин, оползней, материаловедении и наполненных частицами чернил, используемых в 3D-печати. «Модель не ограничена льдом, — сказал Раллабанди. — Ей нужен лишь шумный источник силы и объекты, которые при движении испытывают столкновения».