Сосулька из рассола ( также известная как ледяной сталактит и ледяной холод ) — это растущая вниз полая трубка льда, окружающая струю нисходящего рассола, которая образуется под формирующимся морским льдом .
Когда морская вода замерзает в полярном океане, концентраты соляного раствора выталкиваются из морского льда, создавая нисходящий поток плотной, чрезвычайно холодной, соленой воды с более низкой точкой замерзания, чем окружающая вода. Когда этот шлейф вступает в контакт с соседней океанской водой, его чрезвычайно низкая температура заставляет лед мгновенно образовываться вокруг потока. Это создает полый сталактит , или сосульку , называемую бриниклом.
Образование льда из соленой воды приводит к заметным изменениям в составе близлежащей незамерзшей воды. Когда вода замерзает, большинство примесей исключаются из кристаллов воды; даже лед из морской воды относительно пресный по сравнению с морской водой, из которой он образовался. В результате вытеснения примесей (таких как соль и другие ионы) морской лед становится очень пористым и губчатым, что сильно отличается от твердого льда, образующегося при замерзании пресной воды.
По мере того, как морская вода замерзает и соль вытесняется из кристаллической решетки чистого льда , окружающая вода становится более соленой, поскольку концентрированный рассол просачивается. Это снижает ее температуру замерзания и увеличивает ее плотность . Понижение температуры замерзания позволяет этой окружающей, богатой рассолом воде оставаться жидкой и не замерзать немедленно. Увеличение плотности заставляет этот слой опускаться. [1] Крошечные туннели, называемые рассольными каналами, создаются по всему льду, когда эта сверхсоленая, переохлажденная вода опускается из замерзшей чистой воды. Теперь все готово для создания бриникла.
Когда эта переохлажденная соленая вода достигает незамерзшей морской воды подо льдом, она вызовет создание дополнительного льда. Вода перемещается от высоких к низким концентрациям. Поскольку рассол обладает более низкой концентрацией воды, он, следовательно, притягивает окружающую воду. [2] Из-за холодной температуры рассола вновь привлеченная вода замерзает. Если каналы рассола распределены относительно равномерно, ледяной покров растет вниз равномерно. Однако, если каналы рассола сосредоточены в одной небольшой области, нисходящий поток холодного рассола (теперь настолько богатого солью, что он не может замерзнуть при своей нормальной точке замерзания) начинает взаимодействовать с незамерзшей морской водой как поток. Так же, как горячий воздух от огня поднимается как шлейф, эта холодная, плотная вода опускается как шлейф. Его внешние края начинают накапливать слой льда, поскольку окружающая вода, охлажденная этой струей до температуры ниже точки замерзания, покрывается льдом. В настоящее время образовался бриникл, напоминающий перевернутую «трубу» изо льда, которая заключает в себе нисходящий поток этой переохлажденной, пересоленной воды.
Когда бриникл становится достаточно толстым, он становится самоподдерживающимся. По мере того, как лед накапливается вокруг нисходящей холодной струи, он образует изолирующий слой, который не дает холодной, соленой воде рассеиваться и нагреваться . В результате ледяная оболочка, окружающая струю, растет вниз вместе с потоком. Внутренняя температура стенки сталактита остается на кривой замерзания, определяемой соленостью, поэтому по мере того, как сталактит растет, а дефицит температуры рассола переходит в рост льда, внутренняя стенка тает, чтобы разбавить и охладить соседний рассол обратно до точки замерзания. [3] Это похоже на сосульку, вывернутую наизнанку: вместо того, чтобы холодный воздух замораживал жидкую воду слоями, нисходящая холодная вода замораживает окружающую воду, позволяя ей опускаться еще глубже. По мере того, как это происходит, он создает больше льда, и бриникл становится длиннее.
Размер бриникла ограничен глубиной воды, ростом вышележащего морского льда, подпитывающего его течение, и самой окружающей водой. В 2011 году образование бриникла было впервые снято на пленку. [4] Подтверждено, что соленость жидкой воды внутри бриникла меняется в зависимости от температуры воздуха. Чем ниже температура, тем больше концентрация рассола. В январе 2014 года вдоль побережья Белого моря было зафиксировано, что при температуре воздуха −1 °C соленость рассола составляла от 30 до 35 psu , в то время как соленость в море составляла 28 psu. Когда температура была −12 °C, соленость рассола увеличивалась до 120–156 psu. [5]
В момент своего создания бриникл напоминает трубу льда, спускающуюся вниз с нижней стороны слоя морского льда. Внутри трубы находится чрезвычайно холодная и соленая вода, образующаяся в результате роста морского льда выше, которая накапливается через каналы рассола. Сначала бриниклы очень хрупкие, стенки тонкие, но постоянный поток более холодного рассола поддерживает рост бриникла и препятствует его таянию, которое могло бы быть вызвано контактом с менее холодной окружающей водой. По мере накопления льда и утолщения стенок бриниклы становятся более устойчивыми.
При соответствующих условиях бриникл может достичь морского дна . Для этого сверххолодный рассол из пакового льда наверху должен продолжать течь, окружающая вода должна быть значительно менее соленой, чем рассол, вода не должна быть очень глубокой, верхний морской лед должен быть неподвижным, а течения в этом районе должны быть минимальными или неподвижными. Если окружающая вода слишком соленая, ее точка замерзания будет слишком низкой, чтобы создать значительное количество льда вокруг шлейфа рассола . Если вода слишком глубокая, бриникл, скорее всего, вырвется на свободу под собственным весом, прежде чем достигнет морского дна. Если ледяной покров подвижен или течения слишком сильны, напряжение сломает бриникл.
При правильных условиях, включая благоприятную топографию дна океана, может быть создан бассейн с рассолом . Однако, в отличие от бассейнов с рассолом, созданных холодными просачиваниями , бассейны с рассолом бриникл, скорее всего, будут очень временными, поскольку подача рассола в конечном итоге прекратится.
Достигнув морского дна, он продолжит накапливать лед, поскольку окружающая вода замерзает. Рассол будет перемещаться по морскому дну в направлении вниз по наклонной плоскости, пока не достигнет самой низкой возможной точки, где он сформируется. Любые обитающие на дне морские существа, включая морских звезд или ежей , могут быть заключены в эту расширяющуюся паутину льда и оказаться в ловушке, в конечном итоге замерзнув насмерть.
Бриниклы известны с 1960-х годов. Общепринятая модель их образования была предложена американским океанографом Силье Мартином в 1974 году. [3] Образование бриникла впервые было снято в 2011 году продюсером Кэтрин Джеффс и операторами Хью Миллером и Дугом Андерсоном для сериала BBC « Замороженная планета» . [4] Первая численная модель образования бриникла была разработана в 2023 году исследователями Национального университета Колумбии в сотрудничестве с Ливерморской национальной лабораторией имени Лоуренса . [6]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )