I vissa delar av djuphavet, utspridda över havsbotten, ligger baseballstora stenar med lager av mineraler som samlats under miljontals år. En region i centrala Stilla havet, kallad Clarion Clipperton Fracture Zone (CCFZ), beräknas innehålla stora reserver av dessa stenar, kända som "polymetalliska knölar, " som är rika på nickel och kobolt - mineraler som vanligtvis bryts på land för tillverkning av litiumjonbatterier i elfordon, bärbara datorer, och mobiltelefoner.

När efterfrågan på dessa batterier ökar, ansträngningar går framåt för att bryta havet efter dessa mineralrika knölar. Sådana djuphavsgruvor föreslår att man skickar ner traktorstora fordon för att suga upp knölar och skicka dem till ytan, där ett fartyg skulle rengöra dem och släppa ut eventuellt oönskat sediment tillbaka i havet. Men effekterna av djuphavsbrytning – som effekten av utsläppt sediment på marina ekosystem och hur dessa effekter jämförs med traditionell landbaserad gruvdrift – är för närvarande okända.

Nu oceanografer vid MIT, Scripps Institution of Oceanography, och på andra håll har genomfört ett experiment till havs för första gången för att studera den turbulenta sedimentplym som gruvfartyg potentiellt skulle släppa tillbaka i havet. Baserat på deras iakttagelser, de utvecklade en modell som gör realistiska förutsägelser om hur en sedimentplym som genereras av gruvdrift skulle transporteras genom havet.

Modellen förutsäger storleken, koncentration, och utveckling av sedimentplymer under olika marina och gruvförhållanden. Dessa förutsägelser, forskarna säger, kan nu användas av biologer och miljötillsynsmyndigheter för att bedöma om och i vilken utsträckning sådana plymer skulle påverka det omgivande havslivet.

"Det finns många spekulationer om [djuphavsgruvors] miljöpåverkan, säger Thomas Peacock, professor i maskinteknik vid MIT. "Vår studie är den första i sitt slag på dessa mellanvattenplymer, och kan vara ett stort bidrag till internationell diskussion och utveckling av regelverk under de kommande två åren."

Teamets studie visas idag i Naturkommunikation:Jord och miljö .

Peacocks medförfattare vid MIT inkluderar huvudförfattaren Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon, Chinmay Kulkarni, Patrick Haley, Chris Mirabito, Rohit Supekar, Andrew Rzeznik, Eric Adams, Cindy Wang, och Pierre Lermusiaux, tillsammans med medarbetare på Scripps, US Geological Survey, och forskare i Belgien och Sydkorea.

Ut till havet

Aktuella djuphavsgruvor förväntas generera två typer av sedimentplymer i havet:"samlarplymer" som fordon genererar på havsbotten när de kör runt och samlar knölar 4, 500 meter under ytan; och möjligen "mellanvattenplymer" som släpps ut genom rör som går ner 1, 000 meter eller mer in i havets afotiska zon, där solljus sällan tränger in.

I deras nya studie, Peacock och hans kollegor fokuserade på mellanvattenplymen och hur sedimentet skulle skingras när det släpptes ut från ett rör.

"Vetenskapen om plymdynamiken för detta scenario är välgrundad, och vårt mål var att tydligt fastställa den dynamiska regimen för sådana plymer för att korrekt informera diskussioner, " säger Peacock, som är chef för MIT:s Environmental Dynamics Laboratory.

För att fastställa denna dynamik, laget gick ut till havs. Under 2018, forskarna gick ombord på forskningsfartyget Sally Ride och satte segel 50 kilometer utanför södra Kaliforniens kust. De hade med sig utrustning utformad för att släppa ut sediment 60 meter under havets yta.

"Med hjälp av grundläggande vetenskapliga principer från vätskedynamik, vi designade systemet så att det helt återskapade en plym i kommersiell skala, utan att behöva gå ner till 1, 000 meter eller segla ut flera dagar till mitten av CCFZ, " Säger Peacock.

Under en vecka körde teamet totalt sex plymexperiment, använder nya sensorsystem som en Phased Array Doppler Sonar (PADS) och epsilometer utvecklad av Scripps-forskare för att övervaka var plymer färdades och hur de utvecklades i form och koncentration. De insamlade uppgifterna visade att sedimentet, när det först pumpades ut ur ett rör, var ett mycket turbulent moln av suspenderade partiklar som snabbt blandades med det omgivande havsvattnet.

"Det fanns spekulationer om att detta sediment skulle bilda stora aggregat i plymen som skulle sedimentera relativt snabbt till djuphavet, " säger Peacock. "Men vi fann att utsläppet är så turbulent att det bryter upp sedimentet i sina finaste beståndsdelar, och därefter späds det ut så snabbt att sedimentet då inte har en chans att hålla ihop."

Utspädning

Teamet hade tidigare utvecklat en modell för att förutsäga dynamiken hos en plym som skulle släppas ut i havet. När de matade in experimentets initiala förhållanden i modellen, det producerade samma beteende som teamet observerade till sjöss, att bevisa att modellen exakt kunde förutsäga plymdynamik i närheten av utsläppet.

Forskarna använde dessa resultat för att ge korrekt input för simuleringar av havsdynamik för att se hur långt strömmar skulle bära den initialt släppta plymen.

"I en kommersiell verksamhet, fartyget släpper alltid ut nytt sediment. Men samtidigt blandar havets bakgrundsturbulens alltid saker. Så du når en balans. Det finns en naturlig utspädningsprocess som sker i havet som bestämmer skalan för dessa plymer, " Säger Peacock. "Det som är nyckeln till att bestämma omfattningen av plymer är styrkan i havsturbulensen, mängden sediment som släpps ut, och den miljötröskelnivå vid vilken påverkan finns."

Baserat på deras resultat, forskarna har utvecklat formler för att beräkna skalan på en plym beroende på en given miljötröskel. Till exempel, om tillsynsmyndigheter fastställer att en viss koncentration av sediment kan vara skadlig för omgivande havsliv, formeln kan användas för att beräkna hur långt en plym över den koncentrationen skulle sträcka sig, och vilken volym havsvatten som skulle påverkas under loppet av en 20-årig knölbrytning.

"Kärnan i miljöfrågan kring djuphavsbrytning är omfattningen av sedimentplymer, " Säger Peacock. "Det är ett flerskaligt problem, från sediment i mikronskala, till turbulenta flöden, till havsströmmar över tusentals kilometer. Det är ett stort pussel, och vi är unikt utrustade för att arbeta med det problemet och ge svar baserade på vetenskap och data."

Teamet arbetar nu med samlarplymer, har nyligen återvänt från flera veckor till sjöss för att utföra den första miljöövervakningen av ett nodulsamlarfordon i djuphavet på över 40 år.

Denna forskning stöddes delvis av MIT Environmental Solutions Initiative, UC Ship Time Program, MIT Policy Lab, Schmidt Family Foundations 11th Hour Project, Benioff Ocean Initiative, och Fundación Bancaria "la Caixa."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.