Дослідження відмінності в таненні морського та наземного льоду

Блок 1. Резюме

Метою роботи є дослідження зміни рівня води в посудині для випадку танення льоду, що вільно плаває  у воді, та для випадку танення на “суходолі”.

Блок 2. Попередня інформація

Приблизно 2% води на планеті перебуває в замороженому стані; ця вода називається кріосферою (від грецького kryos, що означає «мороз» або «холодно»). До кріосфери входять крижані покриви, морський лід, сніг, льодовики та мерзлий ґрунт (вічна мерзлота).

Більша частина льоду міститься в льодовикових покривах над масивами суші Антарктиди (89%) і Гренландії (8%). Ці льодовики зберігають до 80% прісної води на планеті. Антарктичний льодовиковий покрив має середню глибину близько 2 км, а гренландський лід – приблизно 1,5 км. Велике значення для клімату має не стільки маса льоду, скільки площа поверхні, яка вкрита льодовиками. Альбедо льоду може бути дуже високим і відбивати більшу частину випромінювання. Крім того, морський лід також важливий, оскільки регулює теплообмін, солоність, випаровування в полярних океанах та ізолює відносно теплу воду океану від холодної полярної атмосфери.

Треба зазначити, що у воді з солоністю понад 25 PSU не спостерігається підвищення густини у разі підвищення температури за точку замерзання. Лід буде формуватися на поверхні лише після того, як охолодження розповсюдиться на глибші шари води, а саме утворення льоду буде збільшувати солоність, а отже, і густину навколишньої води.

У зимовий період моря б втрачали значну кількість тепла, якби не було ефективного теплового захисту, яким є льодовий покрив. Улітку ж льодовий покрив здатний відігравати протилежну роль, заважаючи надмірному нагріванню морських вод. Отже, лід має особливу роль регулятора тепла.

Рис. 1.1. Супутникові спостереження льодового покриву  (а) – 1979 рік, (б) – 2022 рік

Гляціологія – наука про льодовики, що вивчає умови й особливості їхнього походження, існування й розвиток, а також склад, будову, фізичні властивості та взаємодію з географічним середовищем. У ХІХ столітті початок вивчення льодовиків у межах гляціології засвідчено працями швейцарського вченого Ораса Соссюра в його творі «Подорож до Альп» (1779-1796). Поступово сформувалися великі наукові питання, пов’язані з гляціологією, хоча наявність систематичних даних про льодовики була недостатньою, методи досліджень залишалися дуже базовими, а знання про фізичні характеристики льоду були неповними.

Важливий науковий ривок розпочався на початку XX століття, коли почали вивчати зразки крижаних кернів. Крижані керни – це стовпчики льоду, витягнуті зі свердловин льодовиків. Вони стали першоджерелами цінної інформації про кліматичні умови Землі в минулому. Крижані керни надають можливість точно відновити вихідний температурний режим, оцінити активність Сонця та вулканів, вивчити характер атмосфери, визначити склад парникових газів. Ми можемо робити висновки щодо біологічних, історичних і навіть економічних змін, які торкнулися нашої цивілізації. Проте ключовим аспектом є можливість побудови моделей майбутніх кліматичних змін. Дослідження зразків крижаних кернів показує, що рівень вуглекислого газу в атмосфері паралельно збільшувався з періодами потепління в різні епохи недавніх льодовикових періодів. Однак у наш час такі зміни і температури, й концентрації відбуваються набагато швидше. Наприклад, підвищення концентрації CO₂ на 10 частин на мільйон, який у доіндустріальні часи міг відбуватися за 100 або більше років, у наші дні може статися лише за 4 або 5 років.

Рис. 1.2. Вміст CO₂ за даними льодових кернів Data source: Reconstruction from ice cores.
Credit: NOAA

У результаті глобального потепління лід в Антарктиді тане із середньою швидкістю близько 150 мільярдів тонн на рік, а Гренландія втрачає приблизно 270 мільярдів тонн на рік, що сприяє підвищенню рівня моря.

Рис. 1.3. Втрата маси льодових покривів (а) – Гренландії та (б) – Антарктики з 2002 року.

https://climate.nasa.gov/vital-signs/ice-sheets/

Та чи однаковий внесок у підвищення рівня моря дають континентальні та морські льодовики? Льодовики, що тануть на континентах, дають внесок в океан, але чи будуть збільшувати масу та об’єм океану морські льодовики?

Для цього нам потрібно згадати закон Архімеда, який пояснює поведінку тіла, частково зануреного в рідину. Закон дає нам вагу витісненої рідини, яка знаходиться за формулою:

, де g — прискорення вільного падіння,  ρ — густина рідини (газу), V — витіснений об’єм.

Блок 3. Обладнання

Дві ємності з вставками “суходолу”, однакові кубики льоду.