Μια νέα μέθοδος για τον υπολογισμό του πάχους ισοδύναμου όγκου χωρίς παραμέτρους στεγανοποίησης
Τις τελευταίες δεκαετίες έχει παρατηρηθεί η τάση μείωσης της έκτασης και του πάχους της κάλυψης πάγου στην Αρκτική. Ενώ υπάρχουν πολλές αντίθετες απόψεις σχετικά με τη φύση και τους λόγους πίσω από τη μηχανική αυτής της διαδικασίας, ένα πράγμα είναι βέβαιο – συμβαίνει.
Μία από τις βιομηχανίες που θα επωφεληθούν πιο ξεκάθαρα από αυτό το φαινόμενο είναι η ναυτιλιακή βιομηχανία, καθώς οι ελαφρύτερες συνθήκες πάγου στην Αρκτική θα επιτρέψουν το άνοιγμα ναυτιλιακών διαδρομών μεταξύ των ηπείρων που ήταν προηγουμένως απρόσιτες. Αυτό αφορά κυρίως τη λεγόμενη Βόρεια Θαλάσσια Διαδρομή (NSR), η οποία έχει τη δυνατότητα να συντομεύσει το ταξίδι μεταξύ Βόρειας Ευρώπης και Βορειοανατολικής Ασίας κατά 40-70% σε σύγκριση με τις συμβατικές διαδρομές μέσω της Διώρυγας του Σουέζ ή γύρω από το Ακρωτήριο της Καλής Ελπίδας.
Ωστόσο, ακόμα κι αν οι συνθήκες πάγου στην Αρκτική δεν είναι τόσο σοβαρές όσο πριν από μερικές δεκαετίες, δεν είναι ακόμα δυνατό να διασχίσετε τον Αρκτικό Ωκεανό χωρίς να συναντήσετε θαλάσσιο πάγο (ειδικά το χειμώνα) και, σύμφωνα με τα περισσότερα από τα μελλοντικά κλιματικά μοντέλα , αυτό θα συνεχίσει να ισχύει για το άμεσο μέλλον. Από πλευράς ναυτιλίας, αυτό σημαίνει ότι πλοία με δυνατότητα παγοθραύσης —είτε ανεξάρτητα πλοία παγοθραυστικών και παγοθραυστικά είτε ενισχυμένα με πάγο πλοία συνοδεία παγοθραυστικού— θα εξακολουθήσουν να χρειάζονται εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν οι συντομεύσεις της Αρκτικής για εμπορική ναυτιλία.
Η αντίσταση ενός πλοίου στον πάγο είναι μία από τις βασικές εισροές που απαιτούνται για την ακριβή εκτίμηση του χρόνου διέλευσης του πλοίου και της κατανάλωσης καυσίμου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η οικονομική αιτιολόγηση για τη χρήση των συντομεύσεων της Αρκτικής βασίζεται κυρίως στην εξοικονόμηση καυσίμων ή/και χρόνου, η σημασία της ακριβούς εκτίμησης της αντίστασης στον πάγο ενός πλοίου γίνεται προφανής σε αυτό το πλαίσιο.
Βασική παράμετρος για τον υπολογισμό της αντίστασης των πλοίων στον πάγο είναι οι συνθήκες πάγου, οι οποίες ορίζονται από διάφορες παραμέτρους που περιγράφουν το πάγο. Το κάλυμμα πάγου αποτελείται από πέτρες πάγου, τα οποία είναι συνεχόμενα κομμάτια πάγου που περιβάλλονται από ανοιχτό νερό, με μέγεθος από μέτρα έως αρκετά χιλιόμετρα. Αυτοί οι πάγοι αποτελούνται από τα λεγόμενα απαραμόρφωτα ή επίπεδα μέρη πάγου, τα οποία είναι περιοχές με θερμικά αναπτυσσόμενους πάγους αρκετά ομοιόμορφου πάχους και που δεν έχουν παραμορφωθεί λόγω της μηχανικής πίεσης των ανέμων και των κυμάτων.
Εκτός από τον επίπεδο πάγο, οι κλώνοι συχνά περιέχουν περιοχές με παραμορφωμένο πάγο όπου το αρχικό φύλλο πάγου έχει σπάσει λόγω μηχανικής πίεσης και έχουν σχηματιστεί διαφορετικά παραμορφωμένα χαρακτηριστικά πάγου. Οι πιο αξιοσημείωτες από αυτές είναι οι λεγόμενες κορυφογραμμές πάγου, οι οποίες αποτελούν σημαντικό εμπόδιο για τα πλοία που διέρχονται από ύδατα καλυμμένα με πάγο. Επομένως, δεδομένου ότι η φύση της κάλυψης του θαλάσσιου πάγου είναι εξαιρετικά περίπλοκη και δυναμική, οι απλοποιήσεις της χρησιμοποιούνται συχνά σε μελέτες μηχανικής.
Ένα από αυτά τα μοντέλα απλοποίησης είναι το λεγόμενο ισοδύναμο πάχος πάγου, το οποίο είναι μια έννοια που χρησιμοποιείται για τον μέσο όρο όλων των χαρακτηριστικών πάγου σε μια περιοχή σε μια ενιαία τιμή, η οποία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τις εκτιμήσεις αντίστασης των πλοίων. Για τον υπολογισμό του ισοδύναμου πάχους πάγου, χρειάζονται αρκετές παράμετροι πάγου. Πρώτον, η συγκέντρωση πάγου, ως ποσοστό του νερού που καλύπτεται από πάγο στην περιοχή. Στη συνέχεια, το πάχος του πάγου σε επίπεδο περιβάλλοντος. και τέλος, πληροφορίες για τα παραμορφωμένα χαρακτηριστικά του πάγου, κυρίως κορυφογραμμές, με τη μορφή μεγέθους και απόστασης κορυφογραμμών. Η συγκέντρωση πάγου και το επίπεδο πάχους του πάγου είναι άμεσα διαθέσιμα από τους χάρτες πάγου με τη μορφή του λεγόμενου κώδικα αυγού, ο οποίος είναι ένα πρότυπο του Παγκόσμιου Μετεωρολογικού Οργανισμού (WMO) για την ταξινόμηση των συνθηκών πάγου.
Ο κωδικός αυγού αποτελείται από πληροφορίες σχετικά με τη συγκέντρωση πάγου, το επίπεδο πάχους του πάγου και το μέγεθος του πέλματος για τρεις κυρίαρχους τύπους πάγου στην περιοχή, οι οποίοι ταξινομούνται ανά εποχή παγετώνων ή στάδιο ανάπτυξης πάγου (SOD). Κάθε SOD σχετίζεται με ένα επίπεδο πάχους πάγου, π.χ. SOD Ο μεσαίος πάγος πρώτου έτους έχει εύρος πάχους επιπέδου πάγου μεταξύ 70 και 120 cm. Εδώ, καθίσταται σαφές ότι για τον υπολογισμό του ισοδύναμου πάχους πάγου, τα δεδομένα που είναι διαθέσιμα από τον κωδικό αυγού είναι ανεπαρκή, καθώς δεν υπάρχουν πληροφορίες σχετικά με παραμορφωμένα χαρακτηριστικά πάγου, δηλαδή κορυφογραμμές πάγου.
Ομολογουμένως, μερικές φορές οι παράμετροι αναρρόφησης είναι διαθέσιμες ως συμπλήρωμα του κώδικα αυγών στους χάρτες πάγου, αλλά αυτό συνήθως δεν ισχύει για περιοχές στην Αρκτική, καθώς τα παραμορφωμένα χαρακτηριστικά πάγου δεν είναι εύκολα ανιχνεύσιμα με τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης (κυρίως δορυφορικές εικόνες). βάσει των οποίων δημιουργούνται οι χάρτες πάγου για αυτές τις περιοχές. Σε αυτήν την περίπτωση, οι παράμετροι αναβάθμισης μπορούν να ληφθούν από μία από τις ιστορικές βάσεις δεδομένων για τη συγκεκριμένη περιοχή και εποχή, οι οποίες αναπτύσσονται με βάση μακροπρόθεσμες παρατηρήσεις.
Στην εργασία μας που δημοσιεύτηκε στο Cold Regions Science and Technology , αντιμετωπίζουμε το ζήτημα της μη διαθεσιμότητας των παραμέτρων αναρρόφησης, δοκιμάζουμε τη δυνατότητα εφαρμογής των παραμέτρων που λαμβάνονται από ιστορικές βάσεις δεδομένων και αναπτύσσουμε μια νέα μέθοδο για την εκτίμηση του ισοδύναμου πάχους πάγου όταν οι παράμετροι ρίψης είναι είτε μη διαθέσιμες είτε αναξιόπιστες. Χρησιμοποιούμε υποβρύχιες μετρήσεις σόναρ του βυθίσματος πάγου για να εκτιμήσουμε την πραγματική ποσότητα πάγου που συναντάται κατά μήκος πολλαπλών διαδρομών στον Αρκτικό Ωκεανό. Συγκρίνοντας την πραγματική ποσότητα πάγου κατά μήκος της διαδρομής με την προβλεπόμενη με βάση δεδομένα από χάρτες πάγου συμπληρωμένα με παραμέτρους αναρρόφησης από ιστορικές βάσεις δεδομένων, συμπεραίνουμε ότι αυτή η μέθοδος υποτιμά την πραγματική ποσότητα πάγου κατά μέσο όρο κατά περίπου 29%.
Ως εκ τούτου, για να αντιμετωπίσουμε αυτό το ζήτημα, αναπτύσσουμε μια νέα μέθοδο που προτείνει την αντικατάσταση των σειρών πάχους στάθμης πάγου από την ταξινόμηση κωδικού αυγού WMO με τις λεγόμενες περιοχές πάχους ισοδύναμου όγκου (EVITRs), οι οποίες αντιπροσωπεύουν τόσο τον απαραμόρφωτο πάγο (επίπεδο πάγο) όσο και παραμορφωμένος πάγος (ράχες). Τα EVITR καθορίζονται για κάθε SOD από την ταξινόμηση του WMO με βάση την ανάλυση των προφίλ βύθισης πάγου που μετρήθηκαν υποβρύχια και με το συσχετισμό της συνολικής ποσότητας πάγου σε μια περιοχή με το πάχος του πάγου σε επίπεδο περιβάλλοντος. Αυτό, με τη σειρά του, επιτρέπει μια πιο ακριβή εκτίμηση της συνολικής ποσότητας πάγου και των συστατικών του, χωρίς να απαιτούνται παραμέτρους εξάλειψης ως είσοδο, και με βάση μόνο τις διαθέσιμες πληροφορίες από τον κωδικό αυγού.
Η προτεινόμενη μέθοδος που βασίζεται στο EVITR παρουσιάζει βελτίωση σε σύγκριση με τη μέθοδο όπου οι παράμετροι αναβάθμισης λαμβάνονται από ιστορικές βάσεις δεδομένων μειώνοντας το μέσο σφάλμα στη συνολική ποσότητα πάγου που προβλέπεται από 29% σε 2%. Ωστόσο, τα ληφθέντα αποτελέσματα πρέπει να χρησιμοποιούνται με προσοχή, καθώς το ridging είναι μια εξαιρετικά στοχαστική διαδικασία που εξαρτάται από πολλές δυναμικές παραμέτρους.
Ως εκ τούτου, τα καθιερωμένα EVITR μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για περιοχές και εποχές όπου συγκεντρώθηκαν τα δεδομένα στις οποίες κατασκευάστηκαν, αλλά η αναπτυγμένη μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε σύνολο μετρήσεων βυθίσματος πάγου και τα εφαρμοστέα EVITR μπορούν να καθοριστούν για οποιαδήποτε θάλασσα που καλύπτεται από πάγο στον κόσμο.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Μια μέθοδος για την εκτίμηση του πάχους ισοδύναμου όγκου με βάση τον κώδικα αυγών του WMO απουσία παραμέτρων ρίψης, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Cold Regions Science and Technology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Aleksandar-Saša Milaković, Peter Schütz και Henry Piehl από το Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας και Sören Ehlers από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Αμβούργου.
