Морозный цветок (морской лед)
Морозные цветы — это кристаллы льда, которые обычно растут на молодом морском льду и тонком озерном льду в холодных и спокойных условиях. Кристаллы льда похожи на иней и обычно растут пятнами диаметром около 3–4 см. Морозные цветы, растущие на морском льду, имеют чрезвычайно высокую соленость и концентрацию других химических веществ в морской воде и из-за большой площади поверхности являются эффективными выбросами этих химических веществ в атмосферу. [1] [2] [3]
Формирование
[ редактировать ]Морозные цветы образуются на новом морском льду, в открытой воде (где существующий лед раскололся), когда атмосфера намного холоднее, чем подстилающий лед. Открытые водоемы образуются под действием ветров, приливов и течений. Эти выводы подвергают воду с температурой около 0 °C воздействию гораздо более холодного воздуха, что приводит к быстрому образованию льда. [4] При образовании и росте льда соль одновременно выталкивается как обратно в океан под действием силы тяжести (самотечный дренаж), так и наружу, образуя каналы для рассола, выходящие на поверхность. Это приводит к образованию «поверхностного слоя» с высоким содержанием соли, который обычно на 5–10 °C теплее окружающего воздуха, образуя новый морской лед. [4] Обычно требуется разница температур между поверхностью льда и воздухом не менее 15 °C, хотя ее можно уменьшить, если воздух очень влажный. [5] В этих условиях образуется слой пересыщенного пара из-за «поверхностного слоя», обеспечивающего избыток водяного пара. Когда более теплый и влажный воздух встречается с вышележащим холодным воздухом, он становится перенасыщенным и конденсируется, позволяя маленьким кристаллам образовывать зародыши на дефектах поверхности морского льда и расти за счет осаждения паров. Обычно морозные цветы образуются только в относительно безветренных условиях; при сильном ветре перенасыщенный слой стирается с поверхности, а метель затеняет поверхность льда. [5]
Морозные цветы могут расти и распространяться, образуя плотную концентрацию по всему свинцу. На озерном льду инейные цветы фактически идентичны кристаллам инея. На морском льду из-за поверхностного натяжения и различий в градиентах концентрации инеевые цветы, которые сидят на насыщенных рассолом поверхностях, впитывают рассол, увеличивая объемную соленость, что приводит к высокой солености. [6] [7] Кончики зрелых морозных цветов менее соленые из-за отложения пара, а объемная соленость снижается ночью из-за накопления инея по мере падения температуры и появления нового снега (они очень хорошо собирают снег), что также со временем снижает их объемную соленость. [4] [7] Исследования проводились на морозных цветах, а в одном исследовании в океане недалеко от Барроу, Аляска, Альварес-Авилес и др. (2008) обнаружили, что объемная соленость морозных цветов колеблется от 16 до 105 частей на миллион, в среднем около 62 частей на миллион. (примерно в три раза более соленая, чем морская вода ). [7] [8]
Морозные цветы чаще всего встречаются на молодом морском льду в полярных регионах, поскольку большая разница температур между льдом и воздухом подходит для роста. Когда лед становится слишком толстым, верхняя поверхность льда остывает, и морозные цветы перестают расти. Это означает, что морозные цветы обычно растут только в первые несколько дней после появления нового ледяного покрова. [ нужна ссылка ]
Морфология
[ редактировать ]Температура, особенно температура на поверхности льда, за пределами морозных цветов, оказывает прямое влияние на морфологию, а также на толщину и впитывающую способность льда, снежный покров и покров морозных цветов. [9] Форма морозных цветков меняется при изменении температуры воздуха или степени перенасыщения в процессе роста путем изменения кончиков кристаллов. [9] [10] Уровень перенасыщения определяет общее формирование, размер и форму морозного цветка. При более низком пересыщении кончик морозного цветка будет огранен, а боковые ветви сформируются, образуя разветвленный кристалл, напоминающий дерево, тогда как при более высоком пересыщении форма кончика основной ветви будет закругленной, образуя звездообразный кристалл без боковые ветки. [7] [11] Кристаллы льда в морозных цветках обычно имеют дендритную форму , но, как и иней, могут иметь стержнеобразную морфологию. Когда теплый рассол попадает на кристаллы льда, это также может придать морозному цветку «комковатый» вид, поскольку грани кристаллов льда частично расплавлены. [12]
Химия
[ редактировать ]Морозные цветы имеют сложную микроструктурную химию из-за множества различных условий, таких как воздух, температура, химические концентрации в воде, обезжиренная поверхность, влажность и осадки, влияющие на их формирование и рост. Важной частью их образования является фракционирование натрия и сульфата по отношению к хлориду при осаждении солей. [7] Когда температура снижается, отторжение рассола увеличивается, и каналы становятся все более концентрированными, особенно на поверхности. Когда соли начинают выпадать в осадок изо льда, это изменяет относительные концентрации ионов, доступных в жидкой воде и в морозных цветах. При температуре ниже -8 °C происходит увеличение потерь натрия и сульфата по сравнению с понижением температуры, что приводит к истощению аэрозоля из морозных цветов при таких температурах в отличие от других ионов. [6] [13] сульфат удаляется в большей степени, чем натрий . Аэрозоль морозных цветов будет иметь более высокое соотношение натрия и сульфата по сравнению с аэрозолем из морской воды, поскольку при осаждении мирабилита (Na 2 SO 4 · 10H 2 O) [6] [13] Морозные цветы имеют высокую концентрацию ионов бромида, обычно в 2–3 раза большую, чем в морской воде, которая пропорциональна солености морозных цветов. Если бы температура была достаточно низкой для того, чтобы хлорид натрия, присутствующий в рассоле или инейных цветах, замерз, бромид мог бы стать легко доступным. [14] При температуре поверхности льда ниже -22 ° C начинается выпадение хлорида натрия, и даже при более низких температурах другие ионы будут выпадать в осадок, но при температуре поверхности льда, при которой цветы при низких морозах не могут образовываться, поэтому маловероятно, что там будет обедненный хлорид натрия. [13]
Аэрозольный выпуск
[ редактировать ]Морозные цветы вызывают интерес как возможный источник полярных атмосферных аэрозолей . Высокие концентрации химических веществ и увеличенная площадь поверхности могут способствовать эффективному выбросу в атмосферу. В частности, исследования показали, что обилие морозных цветов может быть связано с высокими концентрациями в тропосфере моноксида брома , вызывающими истощение тропосферного озона , а также с повышенным количеством переносимых по воздуху частиц морской соли. [15] Исследование Obbard et al. (2009), рассматривая проблему брома, который может быть причиной разрушения озонового слоя, не представили убедительных доказательств того, что аэрозоль морозных цветов вызывает значительное обогащение бромом атмосферы. Кроме того, исследование показало, что в морозных цветах наблюдается истощение брома, а также его обогащение по отношению к хлориду. [16]
Арктические «морские луга»
[ редактировать ]2 сентября 2009 года группа биологов Вашингтонского университета , возвращавшаяся с Северного полюса, обнаружила эти маленькие цветочные создания, растущие на замерзшем море «как луг, простирающийся во всех направлениях. Каждая доступная поверхность была покрыта ими». Было обнаружено, что при плавлении в одном-двух миллилитрах извлеченной воды содержится около миллиона бактерий . Профессор Джоди Деминг считает, что по мере того, как полюса будут нагреваться, таких лугов будет становиться все больше и больше, потому что будет все больше и больше открытого моря, которое зимой превращается в тонкий лед, и ее команда стремится выяснить, какие бактерии живут в морозные цветы делают. [17] [18]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Тайна роста морозных цветов объяснена – окружающая среда» . Новый учёный . 20 мая 2009 года . Проверено 28 марта 2010 г.
- ^ «Университет Лидса – рождественские морозные цветы – или символы изменения климата?» . Лидс.ac.uk. 17 декабря 2009 г. Проверено 28 марта 2010 г.
- ^ Роско, Гонконг; Брукс, Б.; Джексон, А.В.; Смит, Миннесота; Уокер, С.Дж.; Оббард, RW; Вольф, EW (2011). «Морозные цветы в лаборатории: рост, характеристики, аэрозоль и подстилающий морской лед» . Журнал геофизических исследований . 116 (Д12): Д12301. Бибкод : 2011JGRD..11612301R . дои : 10.1029/2010JD015144 .
- ^ Jump up to: а б с Перович, Д.К.; Рихтер-Менге, Дж. А. (1994). «Поверхностные характеристики свинцового льда». Письма о геофизических исследованиях . 99 (С8): 16341–16350. Бибкод : 1994JGR....9916341P . дои : 10.1029/94JC01194 .
- ^ Jump up to: а б Стиль, RW; Ворстер, М.Г. (2009). «Образование инейных цветов на морском и озерном льду» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 36 (11): L11501. Бибкод : 2009GeoRL..3611501S . CiteSeerX 10.1.1.586.182 . дои : 10.1029/2009GL037304 . S2CID 28823749 . .
- ^ Jump up to: а б с Рэнкин, AM; Олд, В.; Вольф, EW (1 ноября 2000 г.). «Морозные цветы как источник фракционированного аэрозоля морской соли в полярных регионах» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 27 (21): 3469–3472. Бибкод : 2000GeoRL..27.3469R . дои : 10.1029/2000GL011771 . ISSN 1944-8007 .
- ^ Jump up to: а б с д и Альварес-Авилес, Лаура; Симпсон, Уильям Р.; Дуглас, Томас А.; Штурм, Мэтью; Перович, Дональд; Домин, Флоран (16 ноября 2008 г.). «Химический состав морозных цветов во время роста и его влияние на образование аэрозолей и активацию брома» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 113 (Д21): Д21304. Бибкод : 2008JGRD..11321304A . дои : 10.1029/2008JD010277 . ISSN 2156-2202 .
- ^ Мартин, С.; Друкер, Р.; Форт, М. (1995). «Лабораторное исследование роста морозных цветов на поверхности молодого морского льда». Журнал геофизических исследований . 100 (C4): 7027. Бибкод : 1995JGR...100.7027M . дои : 10.1029/94JC03243 .
- ^ Jump up to: а б Мартин, Сили; Ю, Янлин; Друкер, Роберт (15 мая 1996 г.). «Температурная зависимость роста морозных цветов на лабораторном морском льду и влияние цветов на инфракрасные наблюдения поверхности». Журнал геофизических исследований: Океаны . 101 (С5): 12111–12125. Бибкод : 1996JGR...10112111M . дои : 10.1029/96JC00208 . ISSN 2156-2202 .
- ^ Нельсон, Дж (2001). «Механизмы роста, объясняющие первичные и вторичные особенности снежных кристаллов». Филос. Маг. А. 81 (10): 2337–2373. Бибкод : 2001PMagA..81.2337N . дои : 10.1080/01418610010030050 .
- ^ Домин, Флоран; Тайландье, Энн Софи; Симпсон, Уильям Р.; Северин, Кен (1 июля 2005 г.). «Удельная поверхность, плотность и микроструктура морозных цветов» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 32 (13): L13502. Бибкод : 2005GeoRL..3213502D . дои : 10.1029/2005GL023245 . ISSN 1944-8007 . S2CID 140605508 .
- ^ Перович, Д.К.; Рихтер-Менге, Дж. А. (1994). «Поверхностные характеристики свинцового льда» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 99 (C8): 16341. Бибкод : 1994JGR....9916341P . дои : 10.1029/94JC01194 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2013 г. Проверено 29 августа 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с Рэнкин, Эндрю М.; Вольф, Эрик В.; Мартин, Сили (16 декабря 2002 г.). «Морозные цветы: значение для химии тропосферы и интерпретации ледяных кернов» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 107 (D23): 4683. Бибкод : 2002JGRD..107.4683R . дои : 10.1029/2002JD002492 . ISSN 2156-2202 .
- ^ Куп, Т; Капилашрами, А; Молина, Литва; Молина, MJ (2000). «Фазовые переходы смесей морской соли и воды при низких температурах: последствия для химии озона в полярных морских пограничных слоях». Дж. Геофиз. Рез . 105 (Д21): 26393–26402. Бибкод : 2000JGR...10526393K . дои : 10.1029/2000JD900413 .
- ^ Калешке, Л.; Рихтер, А.; Берроуз, Дж.; Афе, О.; Хейгстер, Г.; Нотхолт, Дж.; Рэнкин, AM; Роско, Гонконг; Холлведель, Дж.; Вагнер, Т.; Якоби, Х.-В. (2004). «Инейные цветы на морском льду как источник морской соли и их влияние на химию галогенов в тропосфере» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 31 (16): L16114. Бибкод : 2004GeoRL..3116114K . дои : 10.1029/2004GL020655 . S2CID 51990522 .
- ^ Оббард, Рэйчел В.; Роско, Ховард К.; Вольф, Эрик В.; Аткинсон, Хелен М. (27 октября 2009 г.). «Площадь поверхности морозных цветов и химический состав в зависимости от солености и температуры» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 114 (Д20): Д20305. Бибкод : 2009JGRD..11420305O . дои : 10.1029/2009JD012481 . ISSN 2156-2202 .
- ^ Роберт Крулвич (19 декабря 2012 г.). «Вдруг в океане появляется луг, повсюду «цветы»» . ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР . Проверено 30 декабря 2012 г.
Было три, а может, и четыре часа утра, когда он впервые увидел их. Аспирант Джефф Боуман находился на палубе корабля; он и группа биологов Вашингтонского университета возвращались с Северного полюса.
- ^ Джефф С. Боуман и Джоди В. Деминг (21 января 2012 г.). «Повышенное количество бактерий в выращенных в лаборатории и естественных морозных цветах в условиях поздней зимы» (PDF) . Программа Школы океанографии и астробиологии Вашингтонского университета. Архивировано из оригинала (PDF) 7 января 2013 г. Проверено 30 декабря 2012 г.
РЕЗЮМЕ Морской лед был идентифицирован как важная среда обитания микробов, где бактерии и другие микробы концентрируются во включениях рассола между кристаллами льда.... Присутствие повышенного количества бактерий в морозных цветах может иметь значение для ранее наблюдавшихся химических реакций, которые приводят к место в них, особенно если будет доказано, что микробная активность проявляется в этой уникальной низкой температуре и маловодье.
| Основные этапы | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Формации | |||||
| Явления | |||||
| Связанный со льдом деятельность |
| ||||
| Конструкции | |||||
| Работа | |||||
| Другое использование | |||||
| Ледниковые периоды | |||||
