Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о образованиях на морском и озерном льдах. Для экструзии, образовавшейся на замерзающих растениях, см. Морозный цветок .
Морозные цветы, растущие на молодом морском льду в Арктике

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 клочьями 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 источниками выбросов этих химикатов в атмосферу. [1] [2] [3]

Формирование [ править ]

Морозные цветы образуются на новом морском льду, на открытой воде, когда атмосфера намного холоднее, чем подстилающий лед. Отводы к открытой воде образуются ветрами, приливами и течениями. Эти провода подвергают воду с температурой около 0 ° C гораздо более холодному воздуху, что приводит к быстрому образованию льда. [4] С образованием и ростом льда соль одновременно выталкивается обратно в океан под действием силы тяжести (гравитационный дренаж), а также наружу, образуя каналы для рассола, выходящие на поверхность. Это приводит к высокосолевой «поверхностной пленке», которая обычно на 5–10 ° C теплее, чем окружающий воздух, 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. В этих условиях слой пересыщенного пара возникает из-за «поверхностной пленки», обеспечивающей избыток водяного пара. По мере того, как более теплый влажный воздух встречается с лежащим сверху холодным воздухом, он становится перенасыщенным и конденсируется, позволяя мелким кристаллам образовывать ядра на неровностях поверхности морского льда и расти за счет осаждения паров. [4] Обычно морозные цветы образуются только в относительно безветренных условиях; при сильном ветре пересыщенный слой счищается с поверхности, а метель закрывает поверхность льда. [5]

Морозные цветы могут расти и распространяться, образуя плотную концентрацию морозных цветов по всему океану. На озерном льду инейные цветы практически идентичны инейным кристаллам. На морском льду из-за поверхностного натяжения и различий в градиентах концентрации инейные цветы, которые сидят на поверхностях, насыщенных рассолом, впитывают рассол, увеличивая объемную соленость, что приводит к высокой солености. [6] [7] Кончики зрелых морозных цветов менее засолены из-за осаждения паров, а общая соленость уменьшается ночью из-за накопления инея по мере падения температуры и снега (они очень хорошо собирают снег), что также уменьшает их объем соленость с течением времени. [4] [7] Исследования были проведены на морозных цветках и в одном исследовании в океане недалеко от Барроу, Аляска.Альварес-Авилес и др. (2008) обнаружили, что основная соленость морозных цветков колеблется от 16 до 105 ppt, в среднем около 62 ppt. (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 ледового покрова. [ необходима цитата ]

Морфология [ править ]

Температура, в частности температура на поверхности льда, которая находится вне зоны действия морозных цветов, оказывает прямое влияние на морфологию, а также толщину и впитывающую способность льда, снежный покров и покров из морозных цветов. [9] Форма инейных цветков изменяется, когда температура воздуха или степень перенасыщения изменяются в процессе роста за счет изменения вершин кристаллов. [9] [10]Уровень перенасыщения определяет общее формирование, размер и форму морозного цветка. При меньшем перенасыщении кончик морозного цветка будет огранен, а боковые ветви сформируются и создадут разветвленный кристалл, напоминающий дерево, при более высоком перенасыщении форма кончика основной ветви будет закруглена, образуя звездообразный кристалл без боковых ответвлений. . [7] [11] Кристаллы льда в морозных цветках обычно имеют дендритную форму, но, как и иней, могут расти в виде стержней. Когда теплый рассол попадает на кристаллы льда, он также может придать морозному цветку «комковатый» вид, поскольку грани кристаллов льда частично растают. [12]

Химия [ править ]

Морозные цветы имеют сложную микроструктурную химию из-за множества различных условий, таких как воздух, температура, химические концентрации в воде, поверхностный слой, влажность и осадки, влияющие на их образование и рост. Важной частью их образования является фракционирование натрия и сульфата по хлоридам во время осаждения солей. [7] При понижении температуры отклонение рассолаувеличивается, и каналы становятся все более и более концентрированными, особенно на поверхности. Когда соли начинают выпадать в осадок изо льда, это изменяет относительные концентрации ионов, доступные в жидкой воде и в морозных цветках. При температурах ниже -8 ° C потеря натрия и сульфата увеличивается по сравнению с понижением температуры, что приводит к истощению аэрозоля от морозных цветов при таких температурах в отличие от других ионов. [6] [13] Аэрозоль морозных цветов будет иметь более высокое соотношение натрия к сульфату по сравнению с аэрозолем из морской воды, потому что сульфат удаляется в большей степени, чем натрий, когда осаждается мирабилит (Na 2 SO 4 · 10H 2 O). [6] [13]Морозные цветы имеют высокую концентрацию бромид-ионов, обычно в 2–3 раза большую, чем в морской воде, которая пропорциональна солености морозных цветов. Если температура была достаточно низкой для замерзания хлорида натрия, присутствующего в рассоле или морозных цветках, то бромид может стать легко доступным. [14] При температурах поверхности льда ниже -22 ° C начинает выпадать в осадок хлорид натрия, и даже при более низких температурах, другие ионы будут выпадать в осадок, но при температуре поверхности льда, при которой низкие морозные цветы не могут образоваться, маловероятно, что будет обедненный хлорид натрия. . [13]

Выпуск аэрозоля [ править ]

Морозные цветы вызывают интерес как возможный источник полярного атмосферного аэрозоля . Высокие концентрации химических веществ и большая площадь поверхности могут способствовать эффективному выбросу в атмосферу. В частности, исследования показали, что обилие морозных цветов может быть связано с высокими концентрациями тропосферного монооксида брома, вызывающего истощение тропосферного озона , и с повышенным количеством переносимых по воздуху частиц морской соли. [15] В исследовании Obbard et al. (2009), обращаясь к проблеме брома, который может вызывать истощение озонового слоя, не представили убедительных доказательств того, что аэрозоль из морозных цветков вносит значительный вклад в обогащение атмосферы бромом. Кроме того, исследование показало, что в морозных цветках наблюдалось истощение брома, а также обогащение по сравнению с хлоридом. [16]

Арктические «морские луга» [ править ]

2 сентября 2009 года группа биологов Вашингтонского университета, отплывавшая с Северного полюса, натолкнулась на эти маленькие цветочки, растущие в замерзшем море, «как луг, раскинувшийся во всех направлениях. Каждая доступная поверхность была покрыта ими». Было обнаружено, что когда они растаяли, от одного до двух миллилитров извлеченной воды содержалось около миллиона бактерий . Профессор Джоди Деминг считает, что по мере того, как полюса нагреваются, этих 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 обитают в морозные цветы делают. [17] [18]

См. Также [ править ]

  • Мороз

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Тайна роста морозных цветов объяснена - окружающая среда" . Новый ученый . 20 мая 2009 . Проверено 28 марта 2010 .
  2. ^ "Университет Лидса - рождественские морозные цветы - или символы изменения климата?" . Leeds.ac.uk. 2009-12-17 . Проверено 28 марта 2010 .
  3. ^ Роско, Гонконг; Brooks, B .; Джексон, А.В.; Смит, MH; Уокер, SJ; Оббард, RW; Вольф, EW (2011). «Морозные цветы в лаборатории: рост, характеристики, аэрозоль и подстилающий морской лед» . Журнал геофизических исследований . 116 (D12): D12301. Bibcode : 2011JGRD..11612301R . DOI : 10.1029 / 2010JD015144 .
  4. ^ а б в г Перович ДК; Рихтер-Менге, Дж. А. (1994). «Характеристики поверхности свинцового льда». Письма о геофизических исследованиях . 99 (C8): 16341–16350. Bibcode : 1994JGR .... 9916341P . DOI : 10.1029 / 94JC01194 .
  5. ^ Стиль, RW; Уорстер, MG (2009). «Образование морозных цветов на морском и озерном льдах» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 36 (11): L11501. Bibcode : 2009GeoRL..3611501S . CiteSeerX 10.1.1.586.182 . DOI : 10.1029 / 2009GL037304 .  .
  6. ^ а б в Рэнкин, AM; Auld, V .; Вольф, EW (2000-11-01). «Морозные цветы как источник фракционированного аэрозоля морской соли в полярных регионах» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 27 (21): 3469–3472. Bibcode : 2000GeoRL..27.3469R . DOI : 10.1029 / 2000GL011771 . ISSN 1944-8007 .  
  7. ^ a b c d e Альварес-Авилес, Лаура; Симпсон, Уильям Р .; Дуглас, Томас А .; Штурм, Мэтью; Перович, Дональд; Домин, Флоран (16 ноября 2008 г.). «Химический состав морозного цветка во время роста и его влияние на образование аэрозолей и активацию брома» . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 113 (D21): D21304. Bibcode : 2008JGRD..11321304A . DOI : 10.1029 / 2008JD010277 . ISSN 2156-2202 . 
  8. ^ Мартин, S .; Drucker, R .; Форт, М. (1995). «Лабораторное исследование роста морозных цветов на поверхности молодого морского льда». Журнал геофизических исследований . 100 (C4): 7027. Bibcode : 1995JGR ... 100.7027M . DOI : 10.1029 / 94JC03243 .
  9. ^ a b Мартин, Селье; Ю, Яньлинь; Друкер, Роберт (1996-05-15). «Температурная зависимость роста морозных цветов на лабораторном морском льду и влияние цветов на инфракрасные наблюдения поверхности». Журнал геофизических исследований: океаны . 101 (C5): 12111–12125. Bibcode : 1996JGR ... 10112111M . DOI : 10.1029 / 96JC00208 . ISSN 2156-2202 . 
  10. Перейти ↑ Nelson, J (2001). «Механизмы роста для объяснения первичных и вторичных привычек снежных кристаллов». Филос. Mag. . 81 (10): 2337–2373. DOI : 10.1080 / 01418610010030050 .
  11. ^ Домин, Флоран; Тайландье, Энн Софи; Симпсон, Уильям Р .; Северин, Кен (01.07.2005). «Удельная поверхность, плотность и микроструктура морозных цветов». Письма о геофизических исследованиях . 32 (13): L13502. Bibcode : 2005GeoRL..3213502D . DOI : 10.1029 / 2005GL023245 . ISSN 1944-8007 . 
  12. ^ Перович, ДК; Рихтер-Менге, Дж. А. (1994). «Поверхностные характеристики свинцового льда» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 99 : 16341. Bibcode : 1994JGR .... 9916341P . DOI : 10.1029 / 94JC01194 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 февраля 2013 года . Проверено 29 августа 2015 .
  13. ^ a b c Ранкин, Эндрю М .; Вольф, Эрик У .; Мартин, Селье (2002-12-16). «Морозные цветы: значение для химии тропосферы и интерпретации ледяных кернов». Журнал геофизических исследований: атмосферы . 107 (D23): 4683. Bibcode : 2002JGRD..107.4683R . DOI : 10.1029 / 2002JD002492 . ISSN 2156-2202 . 
  14. ^ Куп, Т; Капилашрами, А; Молина, LT; Молина, MJ (2000). «Фазовые переходы смесей морская соль / вода при низких температурах: последствия для химии озона в полярных морских пограничных слоях». J. Geophys. Res . 105 (D21): 26393–26402. Bibcode : 2000JGR ... 10526393K . DOI : 10.1029 / 2000JD900413 .
  15. ^ Kaleschke, L .; Richter, A .; Burrows, J .; Afe, O .; Heygster, G .; Notholt, J .; Ранкин, AM; Роско, Гонконг; Hollwedel, J .; Вагнер, Т .; Якоби, Х.-В. (2004). «Морозные цветы на морском льду как источник морской соли и их влияние на химию галогенов тропосферы» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 31 (16): L16114. Bibcode : 2004GeoRL..3116114K . DOI : 10.1029 / 2004GL020655 .
  16. ^ Оббард, Рэйчел У .; Роско, Говард К .; Вольф, Эрик У .; Аткинсон, Хелен М. (27.10.2009). «Площадь поверхности морозного цветка и химический состав в зависимости от солености и температуры» . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 114 (D20): D20305. Bibcode : 2009JGRD..11420305O . DOI : 10.1029 / 2009JD012481 . ISSN 2156-2202 . 
  17. ^ Роберт Крулуич (19 декабря 2012). «Неожиданно в океане появился луг, повсюду - цветы» . NPR . Проверено 30 декабря 2012 года . Когда он впервые увидел их, было три, может, четыре часа ночи. Аспирант Джефф Боуман был на палубе корабля; он и команда биологов Вашингтонского университета возвращались с Северного полюса.
  18. ↑ Джефф С. Боуман и Джоди В. Деминг (21 января 2012 г.). «Повышенное содержание бактерий в лабораторных и естественных морозных цветках в условиях поздней зимы» (PDF) . Программа Школы океанографии и астробиологии Вашингтонского университета. Архивировано из оригинального (PDF) 07 января 2013 года . Проверено 30 декабря 2012 года . РЕФЕРАТ Морской лед был определен как важная среда обитания микробов, где бактерии и другие микробы сконцентрированы во включениях рассола между кристаллами льда .... Присутствие повышенного количества бактерий в морозных цветках может иметь последствия для ранее наблюдаемых химических реакций, протекающих с течением времени. место в них, особенно если можно доказать, что микробная активность проявляется в этой уникальной низкой температуре и низкой воде.