Kann ein „Eisvulkan“ dabei helfen, Meereis zu regenerieren?

In ihrem Projekt im vierten Jahr untersuchte die Ingenieursstudentin Katy Cartlidge (2018), ob ein als „Eisvulkan“ bekannter Vorschlag die Möglichkeit hat, das arktische Meereis wiederherzustellen.

Katy nutzte theoretische Modelle und experimentelle Analysen, um die Machbarkeit und Empfindlichkeit eines „Eisvulkans“ gegenüber seiner Umgebung zu bewerten, zu einer Zeit, in der das Meereis im Sommer in der Arktis aufgrund des Klimawandels in alarmierendem Tempo abnimmt.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass es in der Arktis innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu einem eisfreien Sommer kommen wird, wenn der derzeitige Eisrückgang anhält.

Arktisches Meereis hat zahlreiche Vorteile, wie zum Beispiel:

Bei dieser Methode wird Meerwasser über eine schwimmende konische Boje gepumpt, wo es dann in der kalten arktischen Atmosphäre gefriert und einen wachsenden Eiskegel erzeugt. Ein geschlitztes Rohr ermöglicht es, Wasser höher zu pumpen, wenn sich Eis bildet. Sobald eine Höhe von drei Metern erreicht ist, dürfte das neu gebildete Eis laut Wissenschaftlern eine sommerliche Schmelzsaison überstehen und zu wertvollem „mehrjährigem Eis“ werden, das die Schmelze von mindestens zwei Sommern übersteht. Dies ist ein wünschenswertes Ergebnis: Dickeres, stärkeres mehrjähriges Eis, das im Sommer vorhanden ist und das ganze Jahr über seine Vorteile bietet. Das Projekt mit dem Titel „Ice Thickening – Climate Repair“ untersuchte den Einsatz der „Eisvulkan“-Methode zur Steigerung der arktischen Meereisproduktion im Winter.

„Ein wesentlicher Vorteil des ‚Eisvulkans‘ im Vergleich zu anderen vorgeschlagenen Geoengineering-Projekten besteht darin, dass er lediglich eine natürliche Aktivität verstärkt und keine unbekannten Chemikalien oder Prozesse in die Umwelt einbringt“ – Katy Cartlidge

Katy entwickelte ein vereinfachtes zweidimensionales Modell, um das Verhalten eines „Eisvulkans“ für Süßwasser bei seiner Gefriertemperatur und auch für Süßwasser oberhalb seiner Gefriertemperatur vorherzusagen. Darauf folgte eine experimentelle Analyse unter Verwendung eines schmalen Kanals, der auf das zweidimensionale Modell abgebildet wird. Die Experimente wurden in einem begehbaren Gefrierschrank bei einer Temperatur von –18 °C durchgeführt. Wasser unterschiedlicher Temperatur und Salzgehalt (Süßwasser und Wasser mit dem Salzgehalt des arktischen Meerwassers) wurde durch den Kanal über eine Schicht aus kaltem „ursprünglichem Eis“ gepumpt und konnte dort gefrieren oder schmelzen. Anschließend wurde die daraus resultierende Änderung der Eisdicke berechnet.

Diagramm eines „Eisvulkans“. Meerwasser wird von unten auf eine schwimmende Boje gepumpt, wo es dann zu einem kegelförmigen „Vulkan“ gefriert. Ein geschlitztes Rohr ermöglicht es, Wasser höher zu pumpen, wenn sich Eis bildet. Der vertikale Maßstab ist übertrieben. Bildnachweis: Katy Cartlidge.

Sowohl theoretisch als auch experimentell waren die Ergebnisse für Wasser bei Gefriertemperatur vielversprechend: Eis bildete sich leicht und gleichmäßig entlang des gesamten Kanals, was darauf hindeutet, dass ein „Eisvulkan“ erfolgreich und gleichmäßig sein könnte. Die experimentelle Eisbildung übertraf die theoretischen Vorhersagen sowohl für Süß- als auch für Salzwasser, möglicherweise aufgrund von Wärmeflüssen aus der Luft, die im Modell vernachlässigt wurden.

Allerdings waren die Ergebnisse für Wasser, das oberhalb seiner Gefriertemperatur in den Kanal eindrang, weniger ermutigend. Es wurde festgestellt, dass dies zu einem erheblichen Eisverlust in der Nähe des Einlasses führt, selbst wenn das Wasser nur wenige Grad über seinem Gefrierpunkt liegt, obwohl weiter unten im Kanal immer noch Eis entsteht. Im Zusammenhang mit dem „Eisvulkan“ deutet dies darauf hin, dass die das Rohr umgebende Eisregion innerhalb weniger Stunden vollständig erodiert sein könnte, wodurch ein „Eiskrapfen“ entstehen könnte, es sei denn, das Wasser liegt innerhalb einer sehr engen Spanne seiner Gefriertemperatur.

„Dieser enge Bereich für akzeptable Wassertemperaturen wirft Probleme bei der Bedienbarkeit auf“, sagte Katy. „Bei bestimmten Temperaturen könnte ein ‚Eisvulkan‘ sogar mehr Eis schmelzen, als er erzeugt, was es völlig undurchführbar und kontraproduktiv macht.“

Darstellung einer Situation, in der Wasser oberhalb der Schmelztemperatur von Eis eindringt. Eis erodiert um das Rohr herum und bildet eine Donutform. Bildnachweis: Katy Cartlidge.

„Das hat einen positiven Effekt für den Eisvulkan, denn wenn das Eis bei einer wärmeren Temperatur schmilzt als das Wasser gefriert, kann es sein, dass das Wasser über seinem Gefrierpunkt liegt und das Eis immer noch nicht schmilzt, was den Bereich der zulässigen Temperaturen vergrößert“, sagte Katy . „Wenn das Salzwasser jedoch warm genug wäre, würde es immer noch zu den oben beschriebenen katastrophalen Eisverlusten führen und den Eisvulkan wirkungslos machen.“ Die experimentelle Analyse wurde auch auf Salzwasser ausgeweitet, das einige bemerkenswerte Unterschiede aufwies, darunter eine Schmelztemperatur, die höher war als die Gefriertemperatur des Salzwassers selbst. Das Vorhandensein von Salz verändert die thermischen Eigenschaften des Wassers.

Zu Katys Empfehlungen für die weitere Arbeit zu diesem Thema gehören:

Katy sagte: „Bei der Arbeit in einer so einzigartigen und fragilen Umgebung wie der Arktis ist äußerste Vorsicht geboten. Bevor ich darüber nachdachte, wurden umfangreiche Versuche unter arktischen Bedingungen durchgeführt, wie die, die ich im begehbaren Gefrierschrank durchgeführt habe.“ jegliche Tests in der Arktis selbst. Die potenziellen Auswirkungen auf Ökosysteme, Klima und Tierwelt würden in jeder Phase sorgfältig bewertet, der formelle Genehmigungsprozess einschließlich Ethik und Einbindung der Interessengruppen selbst für Feldarbeiten in kleinem Maßstab wäre erschöpfend und die Experimente würden gestoppt wenn unvorhergesehene negative Auswirkungen beobachtet wurden.“

Katy wird von Dr. Shaun Fitzgerald, Lehrbeauftragter für Ingenieurwesen und Forschungsdirektor am Centre for Climate Repair in Cambridge, betreut.

Über das Centre for Climate Repair in Cambridge

Das Centre for Climate Repair in Cambridge arbeitet mit Cambridge Zero an der Universität Cambridge zusammen, um unseren Planeten vor den katastrophalen Auswirkungen der globalen Erwärmung zu schützen. Die Mission des Zentrums besteht aus drei Teilen: Reduzierung der CO2-Emissionen; überschüssiges CO2 aus der Atmosphäre entfernen; und die Arktis wieder einfrieren.

Dieser Artikel wurde ursprünglich vom Department of Engineering der University of Cambridge veröffentlicht. Die Reproduktion erfolgt unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License.