Havsis är mer komplicerat än du kanske tror. Det är inte fast. Det är mycket mer som en svamp, sköt igenom med små kanaler och porer som kan innehålla salt, brunt havsvatten, eller luftbubblor.

Den strukturen är viktig vid oljeutsläpp. Olja är lättare än havsvatten, så om det spillts ut, det kan vandra uppåt, in i de små kanalerna i isen, som kan fånga det och komplicera städningen. Men sanningen är att den arktiska havsisen är så komplex att det är svårt att veta exakt hur olja och is kommer att interagera.

Att studera det är också svårt eftersom traditionella provtagningar och tester kan krossa eller förvränga själva strukturen du försöker förstå, säger Sönke Maus, en postdoc vid norska universitetet för vetenskap och teknik. och medlem i en internationell forskargrupp som heter MOSIDEO (Mikroskala interaktion mellan olja och havsis för upptäckt och miljöhantering i hållbar verksamhet).

"Vi tittar på kanaler som är en tiondels millimeter i diameter, "Maus sa." Och om vi vill veta vad som händer i isen, vi behöver en tredimensionell bild. "

Svårt att utvärdera ett oljeutsläpp under is

Så här beskriver Maus problemet:om råolja spillts ut i havet, det flyter normalt. Men om oljan släpps ut eller spillts under ett lock av havsis, det kommer att fångas under isen.

"Beroende på havsisens mikrostruktur, oljan kan fastna eller så kan den fortsätta röra sig mot ytan, "sa han." Så om vi vill utvärdera miljökonsekvenserna av ett oljeutsläpp under is, vi vill verkligen veta när och om oljan kommer upp till ytan, hur långt isen kommer att driva innan oljeytorna, och hur mycket av oljan som kommer att fångas i isen när isen äntligen smälter. "

Om det inte låter svårt nog, det finns ännu mer utmanande frågor som måste besvaras för att ta reda på hur man hanterar ett oljeutsläpp, Säger Maus.

En vecka att agera

Först, kom ihåg att havsisen är mer som en svamp än en fast substans. Kanalerna och porerna i havsisen är olika beroende på var de finns i isen. Vid dess yta, där isen är i kontakt med kalla lufttemperaturer, havsis har mindre och mindre anslutna porer.

Maus säger att olja normalt sett bara kommer in i större porer och också behöver pressa havsvattnet ur porerna. Under vintern är isen ofta för kall på ytan för att möjliggöra detta, och oljan kommer att fastna. Men under våren, eller när isen värmer i varmt väder, olja kan migrera till ytan.

När oljan yter, "Du måste agera mycket snabbt, "Maus säger." Det enda realistiska sättet att ta bort denna olja från ytan på ett slutet islock är att bränna den. Dock, det mesta av oljan kan bara brännas under ett fönster med möjlighet till vanligtvis en vecka. "

Efter en vecka, oljan sägs vara "vittrad". Det har tappat vissa komponenter och blandats med vatten och kan inte längre avlägsnas genom att bränna det.

"Denna olja hotar då det arktiska ekosystemet, "Säger Maus.

Medicinsk bild på is

Maus och hans kollegor, inklusive Martina Lan Salomon, en MOSIDEO Ph.D. kandidat, förbättrar användningen av röntgenmikrotomografi för att studera isen, med det yttersta målet att ta itu med alla dessa okända så att de bättre kan förutsäga vad som kommer att hända med oljeutsläpp i Arktis.

Huvudmålet med MOSIDEO, som inkluderar forskare från NORUT, Northern Research Institute, NORUT Narvik, NTNU och University of Alaska, är att lära sig mer om samspelet mellan olja och havsis. Forskarna hoppas att deras arbete kommer att förbättra riskbedömningen och beredskapsplaneringen för oljeutsläpp. Det finansieras till slutet av 2018 av Norges forskningsråd.

Det tillvägagångssätt forskarna använder förlitar sig på en version med högre upplösning av tekniken som gör att din läkare kan skapa en CT -bild.

Väsentligen, forskarna skapar en serie på varandra följande tvådimensionella bilder av ett havisprov medan det roterar. Detta producerar tusentals 2-D-överföringsbilder som kan användas för att rekonstruera havsisens inre struktur. En rekonstruktion gjord med hjälp av en kraftfull matematisk algoritm, förvandlar dessa bilder till ett antal gråvärden som återspeglar olika materialtätheter för is, saltvatten, saltkristaller och luft. ). I praktiken är 3D-bilden vanligtvis 2000 x 2000 x 2000 "voxlar, "eller 3D-ekvivalenten för en pixel, lagras ofta som en bunt med 2-d skivor.

"För femton år sedan skulle du behöva en superdator för att göra detta, "Maus sa." Men nu kan vi analysera en 30 gigabyte bild med ett bra grafikkort och bra programvara. "Forskarna har också tillgång till en CT -skanner vid universitetet via RECX, det norska centrumet för röntgendiffraktion, spridning och avbildning (recx.nr).

Salomons doktorsexamen sponsras av ett tyskt mjukvaruföretag som heter Math2Market, vilket gör den programvara forskarna använder för att analysera sina isiga bilder.

Från Hamburg till Svalbard

Men bilder och programvara är bara toppen av isberget, så att säga. För att studera havsis, du måste ha havsis, och för att studera oljeutsläpp i havsis, du måste skapa några oljeutsläpp.

Maus och Salomon hanterar detta problem på två sätt. Den första är att köra sina oljeutsläppsexperiment i ett isbassäng i Hamburg, Tyskland, kallade HSVA, eller Hamburgs skeppsmodellbassäng.

Här, de kan kontrollera förhållandena när de utvecklar sitt studiemetod. De fryser en serie långa kartongrör i isen, som samma typ som du kan använda för att lagra en karta eller affisch. De kan sedan införa olja i botten av alla rör. Varje dag, de tar ett prov från ett nytt rör för att se hur oljan rör sig från dag till dag.

Experimentell havsis är bra, självklart, men ännu bättre är att se vad som händer ute i den verkliga världen. Att göra detta, forskarna har rest till den norska skärgården Svalbard, där de kör snöskotrar från huvudstaden Longyearbyen till en liten utpost som heter Svea, cirka två timmar bort.

Fler frysta rör, och tillstånd att spilla olja

Vintern och våren 2016, Salomon och Maus frös 15 kartongrör i havsisen utanför Svea, och fick tillstånd från Svalbard -myndigheterna att skapa sitt eget mini (och noggrant kontrollerade) oljeutsläpp, genom att introducera olja och diesel i rören.

En gång i veckan, de återvände till Svea för att prova rören, vilket gjorde att de kunde se hur oljan rörde sig uppåt, och hur isens mikrostruktur förändrades med tiden.

Salomon kan ta tillbaka proverna till laboratoriet vid UNIS, universitetscentret på Svalbard, och centrifugera de oljefria proverna för att ta bort allt havsvatten. Hon kan sedan skapa röntgenmikrotomografiska bilder av havsisen för att jämföra den med mikrostrukturer av havsis med införd olja.

Isen måste hållas vid rätt temperatur för att bevara strukturerna inuti den - vilket i sig är en annan utmaning om forskarna måste transportera isen till fastlandet Norge, eller till Tyskland, där de hade tillgång till en speciell anläggning som var mycket snabbare och kunde producera bättre bildkvalitet. Än så länge, användningen av speciella frysta block - ”blåisen” som människor kan använda i sin picknickkorg för att hålla lättfördärvlig mat kall - fungerar bra. På Svalbard, där lufttemperaturen faktiskt är mycket kallare än havsisen, forskarna har det motsatta problemet.

"Vi vill inte att isen ska vara för sval, "Maus sa." Så vi har speciella isolerade lådor som vi kan värma till rätt temperatur medan vi kör tillbaka från Svea till Longyearbyen. "

5 till 7 procent av världens hav

För tillfället, de två forskarna håller fortfarande på att förbättra sina bildtekniker och bygger datormodeller som hjälper dem att beskriva havsisens struktur ner till dess minsta porer.

Nästa steg är att använda denna information för att förutse hur oljan kommer att röra sig i isen, Sa Maus.

"Vid ett allvarligt oljeutsläpp i Arktis, resultaten av vårt projekt kommer att vara viktiga för att minimera skadan på miljön, "Sa Maus.

Men havisens struktur har betydelse långt bortom oljeutsläpp, som forskare strävar efter att förstå klimatförändringar, Arktiska ekosystem och utveckla en mer omfattande informationsbas för arktisk teknik, han sa.

"Det är ett viktigt steg för att förstå porös havsis som täcker, i genomsnitt, 5-7 procent av världshaven, och spelar en nyckelroll för att bestämma jordens klimat och miljö i kalla områden, " han sa.