En av de hårdaste och mest dynamiska regionerna på jorden är den marginella iszonen - platsen där havsvågor möter havsis, som bildas genom frysning av havets yta.

Publicerad idag, ett temanummer av tidskriften Philosophical Transactions of the Royal Society A granskar de snabba framsteg som forskare har gjort under det senaste decenniet när det gäller att förstå och modellera denna utmanande miljö.

Denna forskning är avgörande för att vi bättre ska kunna förstå de komplexa interaktionerna mellan jordens klimatsystem. Det beror på att den marginella iszonen spelar en roll i säsongens frysning och upptining av haven.

En tuff plats att studera

I Arktis och Antarktis är havstemperaturerna ständigt under -2℃ – tillräckligt kallt för att frysa, vilket bildar ett lager av havsis.

På de högsta breddgraderna närmare polerna bildar havsisen ett fast, flera meter tjockt lock på havet som reflekterar solens strålar, kyler ner området och driver svalt vatten runt haven. Detta gör havsisen till en nyckelkomponent i klimatsystemet.

Men på lägre breddgrader, när det istäckta havet övergår till det öppna havet, bildas havsisen till mindre, mycket mer rörliga bitar som kallas "flak" som separeras av vatten eller en slurry av iskristaller.

Denna marginaliszon interagerar med atmosfären ovanför och havet nedanför på ett helt annat sätt än istäcket närmare polerna.

Det är en utmanande miljö för forskare att arbeta i, med en resa in i den marginella iszonen runt Antarktis 2017 med vindar över 90 km/h och vågor som är mer än 6,5 m höga. Det är också svårt att observera på distans eftersom flaken är mindre än vad de flesta satelliter kan se.

Krossad av vågor

Den marginella iszonen interagerar också med det öppna havet via ytvågor, som färdas från det öppna vattnet in i zonen och påverkar isen. Vågorna kan ha en destruktiv effekt på istäcket genom att bryta upp stora flak och göra dem mer känsliga för smältning under sommaren.

Däremot under vintern kan vågor främja bildandet av "pannkaksflak", så kallade eftersom de är tunna skivor av havsis (du kan se dem på bilden ovan).

Men själva vågenergin går förlorad under interaktioner med flak, så att vågorna gradvis blir svagare när de färdas djupare in i den marginella iszonen. Detta producerar våg-is-återkopplingsmekanismer som driver havsisutvecklingen i ett föränderligt klimat.

Till exempel kommer en trend för varmare temperaturer att försvaga istäcket, vilket gör att vågor kan färdas djupare in i istäckta hav och orsaka mer splittring, vilket ytterligare försvagar istäcket – och så vidare.

Forskare som studerar marginella iszoners dynamik syftar till att förbättra vår förståelse av zonens roll i de dramatiska och ofta förbryllande förändringar som världens havsis genomgår som svar på klimatförändringarna.

Till exempel, i Ishavet har istäcket "minskat med ungefär hälften sedan 1980-talet." I Antarktis har havsisen nyligen haft både en av sina största och minsta registrerade utbredningar, där den marginala iszonen är en källa till variationer från år till år.

Våra framsteg när det gäller att bättre förstå dessa tuffa regioner har kretsat kring stora internationella forskningsprogram, som drivs av United States Office of Naval Research och andra. Dessa program involverar jordforskare, geofysiker, oceanografer, ingenjörer och till och med tillämpade matematiker (som vi).

De senaste ansträngningarna har producerat innovativa observationstekniker, såsom en metod för att 3D-bilda våg- och flakdynamik i den marginella iszonen från ombord på en isbrytare och fånga vågor-i-is från satellitbilder.

De har också resulterat i nya modeller som kan simulera växelverkan mellan vågor och is från nivån på enskilda flak till det övergripande beteendet hos hela hav. Framstegen har motiverat ett australiskt ledd flermånadersexperiment i Antarktis marginaliszon, på den nya $500 miljoner isbrytaren RSV Nuyina, som väntas nästa år.

Den marginella iszonen kommer att bli en allt viktigare del av världens havsistäcke i framtiden, eftersom temperaturen stiger och vågorna blir mer extrema.

Trots de snabba framstegen är det fortfarande en bit kvar innan förståelsen av återkopplingsprocesser i den marginala iszonen omvandlas till förbättrade klimatförutsägelser som används av till exempel International Panel on Climate Change Assessment Reports.

Att inkludera den marginella iszonen i klimatmodeller har beskrivits som den "heliga gralen" för fältet av en av dess ledande personer, och temanumret pekar på närmare band med det bredare klimatsamhället som nästa stora riktning för fältet. + Utforska vidare

Is, vind och hav

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.