När våren kommer till Arktis, uppbrottet av de kalla vinterisarna börjar på ytan med bildandet av smältdammar. Dessa pölar av smält snö och is gör isens yta mörkare, öka mängden solenergi som isen absorberar och accelerera smältan. Ett team inklusive matematikern Kenneth Golden från University of Utah har bestämt hur dessa smältdammar bildas, lösa ett paradoxalt mysterium om hur en vattenpöl faktiskt sitter ovanpå mycket porös is. Deras resultat publiceras i Journal of Geophysical Research - Oceans .

"Här presenteras detta grundläggande pussel, "Golden säger." Hur i hela världen bildar du dammar? När de bildas, hur djupa de är, och deras yta är helt avgörande för hur isen kommer att smälta. "

Golden studerar dynamiken i havsis, som är ett sammansatt system av fasta ämnen och vätskor med varierande salthalt och kemi. Smältdammar är ett fokus för hans forskning eftersom de dramatiskt påverkar albedon, eller reflekterande, av havsisen, en av de viktigaste parametrarna inom klimatmodellering. De kan också tillåta mer ljus att tränga igenom isen, så att alger kan föröka sig i havsvattnet nedanför.

Under 2014, Gyllene, tillsammans med studiens första författare Chris Polashenski från US Army Corps of Engineers Cold Regions Research and Engineering Laboratory och kollegor reste ombord på den amerikanska kustbevakningsskäraren Healy till Chukchihavet, mellan Alaska och Sibirien, att undersöka massiva alger blommar under isen, som först observerades 2011. Som en del av sin studie behövde de mäta isens permeabilitet. Permeabilitet är ett mått på hur väl sammankopplade hålrum och kanaler i ett material tillåter vätska att strömma igenom.

Deras första försök involverade att borra ett hål i isen under "fribordsnivån, "eller vattenbord, för att se hur snabbt vattnet fyllde hålet igen.

"Det fyllde upp till fribordsnivån på ungefär en och en halv sekund, "Golden säger, indikerar att isen var för permeabel för att göra en mätning. Nästa, laget försökte lägga vatten i hålet för att se hur snabbt vattennivån återjämnades till fribordsnivån. De planerade flera försök, och märkte att i det andra försöket, vattennivån sjönk mycket långsammare än i första försöket.

"Och så var den tredje gången charmen, "Golden säger. Teamet hällde vatten i hålet och nivån sjönk inte alls." Vi bildade en smältdamm! "Säger han.

Fascinerad, laget testade olika nivåer av salthalt i vattnet i borrhål och använde färgämnen för att spåra vattnets framsteg genom isen. (Teamet använde röda och gröna matfärger från Healys kök, Säger Golden). Alla deras experiment pekade på en tydlig mekanism för bildning av smältdamm.

"Fryspunkten för det färska smältvattnet från snö är noll Celsius, "Golden säger." Men isen i sig är kanske -1 eller -1,5. Fryspunkten för havsvatten är -1,8. Så i princip, du får den här infusionen av färskvatten och det finns tillräckligt med kyla där för att täppa till porerna. Du sänker isens genomsläpplighet genom denna process för att frysa sötvattenproppar in i den porösa mikrostrukturen. "Med sänkt permeabilitet, smältvattnet kan bilda en pool ovanpå isen.

Andra, inklusive Polashenski, hade spekulerat i att en sådan process kan ligga bakom bildning av smältdamm, Golden säger, men att hans lag var på rätt plats vid rätt tidpunkt med rätt utrustning för att sätta ihop historien i fältet. Förhoppningsvis, han säger, Att förstå de förhållanden som leder till bildandet av smältdamm kan hjälpa forskare att förutsäga var och när dammar kan bildas när de arktiska temperaturerna fortsätter att stiga.