Förhållandena i arktiska vatten är bland de mest extrema i världen. Starka vindar och strömmar pressar isen kraftfullt över stora avstånd, vilket resulterar i stora åsar som når tiotals meter i höjd. På samma gång, global uppvärmning och ökad mänsklig närvaro har lagt till ett nytt tryck i dessa nordliga miljöer. Ändå har mekanismerna bakom isens effekter på fysiska strukturer - särskilt på lång sikt - varit en öppen fråga i en tid med kontinuerliga miljöförändringar.

Forskare vid Aalto University har utvecklat en ny metod för att bedöma hur ständigt rörliga, tung isbelastning påverkar strukturer som broar eller till och med vindkraftverk över en mängd olika förhållanden.

"Gnidning är processen för hur is - rörd av vindar och strömmar - bryter mot marina strukturer och hur den påverkar dessa strukturer, "förklarar Jukka Tuhkuri, en ledande isforskare och professor vid Aalto University. "Processen är extremt känslig för initiala förhållanden, till och med kaotisk, vilket gör systematisk analys på området otroligt utmanande. "

För att förutse en mängd scenarier och effekter på mycket lång sikt, det Aalto-baserade teamet använder sig av numeriska experiment-avancerade datasimuleringar som drar nytta av kunskap från fältet-för att se effekterna av förändringar på mikronivå i kända rubbningselement.

"Med denna metod, vi kan verkligen se vad som händer eftersom vi har full kontroll över de faktorer som är inblandade. Med riktig havsis, vi har helt enkelt inte den möjligheten, säger adjunkt Arttu Polojärvi.

De exakta simuleringarna har gjort det möjligt för forskare att lära sig mer om mekaniken bakom processen på ett sätt som aldrig tidigare varit möjligt.

"Genom att ständigt köra simuleringar, Vi har lärt oss att isens tjocklek är det absolut viktigaste när det gäller hur isbelastningar påverkar strukturer. Tryckstyrka kommer i andra hand men vi kan nästan glömma allt annat, i strid med konventionellt tänkande inom området, säger Tuhkuri.

Metoden hjälper också till att hantera den största utmaningen i ett ständigt föränderligt klimat:att förutse framtida förhållanden. Global uppvärmning innebär att isen i Arktis blir tunnare, stormar blir allt hårdare och mer is rör sig. På samma gång, övergripande förhållanden lättar i dessa regioner; industri och turism tar fart, som medför risker för både människor och miljö.

"Vi kan inte uppskatta framtiden med de fältdata som finns tillgängliga idag. Stark, tjock is stannar där den är, men även små stormar kan bära tunn is, "säger Polojärvi." Vi måste kunna uppskatta 100- eller till och med 500-års islast på permanenta strukturer så att vi kan se till att de är säkra och håller, samtidigt som materialet som används för att göra det så hållbart som möjligt minimeras. "

Teamet kommer att presentera sitt arbete fredagen den 7 juni 2019 vid en veckolång samling av ledande isforskare, IUTAM -symposiet om havsisens fysik och mekanik, hölls vid Aalto -universitetet i Stor -Helsingfors, Finland.

Frågor och svar

F:Har numeriska experiment använts tidigare för att studera ismängder?

A:Denna forskning markerar första gången som numeriska experiment har använts för att utföra statistisk analys av isbelastningar, ger uppskattningar av framtida slitage på fysiska strukturer på mycket lång sikt. Förr, forskare har studerat isskavning - det är hur is som pressas av vindar och strömmar bryter mot marina strukturer och hur det påverkar strukturerna - på olika sätt:experimentellt i laboratorier, experimentellt genom att observera fullskaliga händelser, genom att utveckla teoretiska modeller, och använder olika numeriska verktyg.

F:Kan metoden verkligen förutsäga hur is kommer att bete sig när klimatet värms upp - även århundraden framåt?

A:Ja, om kollegor inom geofysik kan förutsäga hur is blir tunnare och svagare med global uppvärmning, vi kan förutsäga hur islasterna förändras. Detta beror på att den nya modellen bygger på grundläggande fysiska relationer och, Således, vi kan ändra tjockleken i modellen och se vad som händer. Andra modeller kanske inte är lika detaljerade.

F:Vilka risker medför isbelastning för människor och miljö?

S:Marina strukturer kan gå sönder och orsaka olyckor. Om människor arbetar på en plattform som misslyckas, konsekvenserna kan bli allvarliga. Strukturella fel kan också vara mycket dyra och leda till miljörisker på grund av potentiella läckor i bränsletankar och bränslerör, etc.