Può un “vulcano di ghiaccio” aiutare a rigenerare il ghiaccio marino?

Per il suo progetto del quarto anno, la studentessa di ingegneria Katy Cartlidge (2018) ha valutato se una proposta nota come "vulcano di ghiaccio" ha i mezzi per ripristinare il ghiaccio marino artico.

Katy ha utilizzato modelli teorici e analisi sperimentali per valutare la fattibilità e la sensibilità di un "vulcano di ghiaccio" al suo ambiente, in un momento in cui il ghiaccio marino estivo artico sta diminuendo a un ritmo allarmante a causa dei cambiamenti climatici.

Gli scienziati affermano che se gli attuali ritmi di riduzione dei ghiacci saranno mantenuti, entro il prossimo decennio nell’Artico si vedrà un’estate senza ghiaccio.

Il ghiaccio marino artico presenta numerosi vantaggi, tra cui:

Questo metodo prevede il pompaggio dell’acqua di mare su una boa conica galleggiante, dove poi congela nella fredda atmosfera artica per generare un cono di ghiaccio in crescita. Un tubo scanalato consente all'acqua di essere pompata più in alto man mano che il ghiaccio si accumula. Una volta raggiunta l'altezza di tre metri, gli scienziati affermano che il ghiaccio appena formato probabilmente sopravvivrà alla stagione estiva di scioglimento e diventerà un prezioso "ghiaccio pluriennale", sopravvivendo allo scioglimento di almeno due estati. Questo è un risultato auspicabile: un ghiaccio pluriennale più spesso e più forte, presente in estate, che offre i suoi benefici tutto l’anno. Il progetto, intitolato "Ice Thickening – Climate Repair", ha studiato l'uso del metodo del "vulcano di ghiaccio" per aumentare la produzione di ghiaccio marino artico in inverno.

"Un vantaggio significativo del 'vulcano di ghiaccio', rispetto ad altri progetti di geoingegneria proposti, è che aumenta semplicemente un'attività naturale e non introduce sostanze chimiche o processi sconosciuti nell'ambiente" - Katy Cartlidge

Katy ha sviluppato un modello bidimensionale semplificato per prevedere il comportamento di un "vulcano di ghiaccio" per l'acqua dolce alla sua temperatura di congelamento e anche per l'acqua dolce al di sopra della sua temperatura di congelamento. A ciò è seguita poi l'analisi sperimentale, utilizzando un canale stretto che si mappa sul modello bidimensionale. Gli esperimenti sono stati condotti in una cella frigorifera con una temperatura di –18°C. L'acqua, di diverse temperature e salinità (acqua dolce e acqua con salinità pari a quella del mare artico), è stata pompata attraverso il canale sopra uno strato di "ghiaccio originale" freddo e lasciata congelare o provocarne lo scioglimento. È stata quindi calcolata la variazione risultante nello spessore del ghiaccio.

Schema di un "vulcano di ghiaccio". L'acqua di mare viene pompata dal basso su una boa galleggiante, dove poi congela in un "vulcano" conico. Un tubo scanalato consente all'acqua di essere pompata più in alto man mano che il ghiaccio si accumula. La scala verticale è esagerata. Credito: Katy Cartlidge.

Sia teoricamente che sperimentalmente, i risultati erano promettenti per l'acqua alla sua temperatura di congelamento: il ghiaccio si formava rapidamente e in modo uniforme lungo tutto il canale, indicando che un "vulcano di ghiaccio" potrebbe avere successo ed essere uniforme. L’accumulo sperimentale di ghiaccio ha superato le previsioni teoriche sia per l’acqua dolce che per quella salata, potenzialmente a causa dei flussi di calore dall’aria che erano stati trascurati nel modello.

Tuttavia, i risultati sono stati meno incoraggianti per l’acqua che entrava nel canale al di sopra della sua temperatura di congelamento. Si è riscontrato che ciò si traduce in una sostanziale perdita di ghiaccio vicino all'ingresso, anche per l'acqua appena pochi gradi al di sopra della sua temperatura di congelamento, sebbene il ghiaccio si crei ancora più in basso nel canale. Nel contesto del "vulcano di ghiaccio", ciò lascia intendere che la regione di ghiaccio che circonda il tubo potrebbe essere completamente erosa in poche ore, creando una "ciambella di ghiaccio", a meno che l'acqua non si trovi entro un margine molto ristretto dalla sua temperatura di congelamento.

"Questo intervallo ristretto di temperatura dell'acqua accettabile pone problemi di operatività", ha affermato Katy. "A determinate temperature, un 'vulcano di ghiaccio' potrebbe addirittura sciogliere più ghiaccio di quanto ne crei, rendendolo del tutto irrealizzabile e controproducente."

Presentando una situazione in cui l'acqua entra al di sopra della temperatura di fusione del ghiaccio. Il ghiaccio viene eroso attorno al tubo, formando una forma a ciambella. Credito: Katy Cartlidge.

"Ciò ha un effetto benefico per il vulcano di ghiaccio, perché se il ghiaccio si scioglie a una temperatura più calda di quella in cui si congela l'acqua, l'acqua potrebbe essere al di sopra della sua temperatura di congelamento e non sciogliere comunque il ghiaccio, aumentando la gamma di temperature utilizzabili", ha affermato Katy . "Tuttavia, se l'acqua salata fosse abbastanza calda, causerebbe comunque le disastrose perdite di ghiaccio sopra descritte e renderebbe inefficace il vulcano di ghiaccio." L'analisi sperimentale è stata estesa anche all'acqua salata, che presentava alcune differenze notevoli, tra cui una temperatura di fusione superiore alla temperatura di congelamento dell'acqua salata stessa. La presenza del sale altera le proprietà termiche dell'acqua.