Um 'vulcão de gelo' pode ajudar a regenerar o gelo do mar?

Para seu projeto do quarto ano, a estudante de engenharia Katy Cartlidge (2018) avaliou se uma proposta conhecida como 'vulcão de gelo' tem os meios para restaurar o gelo marinho do Ártico.

Katy usou modelagem teórica e análise experimental para avaliar a viabilidade e a sensibilidade de um 'vulcão de gelo' ao seu ambiente, em uma época em que o gelo marinho do verão ártico está diminuindo a um ritmo alarmante devido às mudanças climáticas.

Os cientistas dizem que, se as taxas atuais de declínio do gelo forem mantidas, um verão sem gelo será visto no Ártico na próxima década.

O gelo marinho do Ártico tem inúmeros benefícios, como:

Esse método envolve o bombeamento de água do mar sobre uma bóia cônica flutuante, onde ela congela na atmosfera fria do Ártico para gerar um cone crescente de gelo. Um tubo com fenda permite que a água seja bombeada mais alto à medida que o gelo se acumula. Uma vez que uma altura de três metros foi alcançada, os cientistas dizem que o gelo recém-formado provavelmente sobreviverá a uma estação de degelo no verão e se tornará um valioso "gelo de vários anos", sobrevivendo ao derretimento de pelo menos dois verões. Este é um resultado desejável: gelo plurianual mais espesso e forte que está presente no verão, proporcionando seus benefícios o ano todo. O projeto, intitulado "Espessamento do Gelo – Reparação do Clima", investigou o uso do método do 'vulcão de gelo' para aumentar a produção de gelo marinho do Ártico no inverno.

"Um benefício significativo do 'vulcão de gelo', em comparação com outros projetos de geoengenharia propostos, é que ele apenas aumenta uma atividade natural e não introduz nenhum produto químico ou processo desconhecido no meio ambiente" - Katy Cartlidge

Katy desenvolveu um modelo bidimensional simplificado para prever o comportamento de um 'vulcão de gelo' para água doce em sua temperatura de congelamento e também para água doce acima de sua temperatura de congelamento. Isso foi seguido pela análise experimental, usando um canal estreito que mapeia no modelo bidimensional. Os experimentos foram conduzidos em um freezer com temperatura de -18°C. A água, de temperaturas e salinidades variadas (água doce e água com a salinidade da água do mar do Ártico), foi bombeada através do canal sobre uma camada de "gelo original" frio e deixada congelar ou causar derretimento. A mudança resultante na espessura do gelo foi então calculada.

Diagrama de um 'vulcão de gelo'. A água do mar é bombeada de baixo para uma bóia flutuante, onde então congela em um 'vulcão' cônico. Um tubo com fenda permite que a água seja bombeada mais alto à medida que o gelo se acumula. A escala vertical é exagerada. Crédito: Katy Cartlidge.

Tanto teórica quanto experimentalmente, os resultados foram promissores para a água em sua temperatura de congelamento: o gelo se formou rápida e uniformemente ao longo do canal, indicando que um 'vulcão de gelo' poderia ser bem-sucedido e uniforme. O acúmulo de gelo experimental excedeu as previsões teóricas para água doce e salgada, possivelmente devido aos fluxos de calor do ar que foram negligenciados no modelo.

No entanto, os resultados foram menos encorajadores para a entrada de água no canal acima de sua temperatura de congelamento. Verificou-se que isso resulta em uma perda substancial de gelo perto da entrada, mesmo para a água apenas alguns graus acima de sua temperatura de congelamento, embora o gelo ainda seja criado mais abaixo no canal. No contexto do 'vulcão de gelo', isso insinua que a região de gelo ao redor do tubo pode ser completamente erodida em poucas horas, criando um 'donut de gelo', a menos que a água esteja dentro de uma margem muito estreita de sua temperatura de congelamento.

"Essa faixa estreita de temperatura aceitável da água apresenta problemas de operacionalidade", disse Katy. "Em certas temperaturas, um 'vulcão de gelo' pode até derreter mais gelo do que cria, tornando-o totalmente inviável e contraproducente."

Apresentando uma situação em que a água entra acima da temperatura de fusão do gelo. O gelo é corroído ao redor do tubo, formando uma forma de rosquinha. Crédito: Katy Cartlidge.

"Isso tem um efeito benéfico para o vulcão de gelo, porque se o gelo derreter a uma temperatura mais quente do que a água congela, a água pode estar acima de sua temperatura de congelamento e ainda não derreter o gelo, aumentando a faixa de temperaturas operáveis", disse Katy . "No entanto, se a água salgada estivesse quente o suficiente, ainda causaria as desastrosas perdas de gelo descritas acima e tornaria o vulcão de gelo ineficaz." A análise experimental também foi estendida à água salgada, que apresentava algumas diferenças notáveis, incluindo uma temperatura de fusão superior à temperatura de congelamento da própria água salgada. A presença de sal altera as propriedades térmicas da água.