Порог перколяции для вертикального течения жидкости через зернистый морской лёд

Почему важны крошечные пути в морском льду

Морской лёд может казаться цельным, безжизненным пластом, но внутри он пронизан микроскопическими каналами солёной воды. Эти скрытые пути определяют, как тепло, газы и питательные вещества перемещаются между океаном и атмосферой, влияя и на климат, и на выживание водорослей, живущих внутри льда. В этом исследовании поставлен простой, но ключевой вопрос: в какой момент внутренняя «водопроводная сеть» льда становится достаточно связной, чтобы вода могла свободно течь вертикально? Ответ оказывается сильно зависимым от того, как устроены кристаллы льда, и это различие имеет серьёзные последствия для моделей полярного потепления.

Два типа морского льда — две очень разные модели поведения

Не весь морской лёд устроен одинаково. В «колонарном» льду кристаллы растут в виде длинных вертикальных пластинок, с солёной рассоленной водой, заключённой в слоистых пластах и каналах между ними. В «зернистом» льду кристаллы больше похожи на кучу мелких зерен, и рассол заполняет тонкие плёнки и карманы в межзеренном пространстве. Ранее было показано, что колонарный морской лёд становится практически непроницаемым для массового вертикального потока, когда объём рассола падает ниже примерно 5 процентов. Выше этого уровня солёная жидкость может перколировать через непрерывные пути. Это простое правило известно как «правило пятёрок» и широко применяется в моделях морского льда. Однако предполагается, что зернистый лёд, который распространён в Антарктике и всё чаще встречается в более тонком, молодом арктическом льду, ведёт себя иначе, потому что его сеть рассолов менее аккуратно связана.

Измерение момента, когда вода может двигаться

Чтобы установить поведение зернистого льда, авторы провели более сотни полевых измерений на первичном антарктическом дрейфующем льду во время экспедиции SIPEX II. Они пробуривали частичные вертикальные отверстия в льду, герметизировали боковины установленной трубой и использовали датчики давления, чтобы отслеживать, как быстро морская вода поднимается в отверстие снизу. По этому «тесту на откачку» они могли обратным расчётом определить, насколько легко вода перемещается через лёд непосредственно под отверстием. Затем эти измерения сопоставляли с детальными профилями температур, солёности и кристаллической структуры из близлежащих кернов, чтобы определить и локальное содержание рассола, и тип льда — колонарный или зернистый. Результаты выявили поразительную закономерность: зернистый лёд по существу непроницаем ниже объёма рассола около 10 процентов и становится проницаемым только выше этого более высокого порога.

Подтверждение из опытов с красителем и простых моделей

Авторы также пересмотрели эксперименты с красящими трассерами с предыдущего антарктического рейса, в которых окрашенную, охлаждённую воду лили на перевёрнутые блоки морского льда. В каждом случае окрашенная жидкость быстро просачивалась через верхний, высокопроницаемый слой, но внезапно останавливалась на более глубоких, холодных слоях, где объём рассола был около 10 процентов. Хотя эти эксперименты изначально были исследовательскими, они независимо подтвердили отсечку около 10 процентов, наблюдаемую в тестах на откачку. Чтобы понять, почему зернистому льду нужен более высокий объём рассола для проведения жидкости, авторы обратились к простой модели, разработанной для смесей полимеров и металлических порошков. Измеряя относительные размеры зёрен льда и окружающих рассольных плёнок на микрофотографиях антарктического льда, они адаптировали эту «модель сжатого порошка» и обнаружили, что она естественным образом предсказывает более высокий порог перколяции для зернистого льда (около 10 процентов), чем для колонарного льда (около 5 процентов).

Универсальное правило, скрытое в случайности

Помимо выявления самого порога, исследование проверяло предсказания теории перколяции — отрасли статистической физики, описывающей, как в случайных системах внезапно возникает связность. Выше порога теория предсказывает, что проницаемость следует простой степенной зависимости от того, насколько система превышает критическую точку, с так называемым критическим показателем, который «универсален», то есть зависит только от размерности, а не от микроскопических деталей. Удивительно, что предыдущие работы показали: колонарный морской лёд ведёт себя так, будто разделяет этот же показатель с идеализированными решётчатыми моделями. Совместив новые измерения проницаемости зернистого льда с прежними изображениями его порового пространства, авторы демонстрируют, что зернистый лёд подчиняется той же универсальной шкале. Как только превышается порог в ~10 процентов, его проницаемость растёт с увеличением доли рассола почти таким же математическим образом, как и у колонарного льда и абстрактных сетевых моделей.

Что это значит для климата и жизни в льду

Для учёных, пытающихся предсказать полярный климат, океаническую химию и экосистемы, связанные со льдом, эти результаты дают ясный сигнал: нельзя предполагать единую, универсальную границу того, когда морской лёд становится проницаемым. Зернистый лёд, который составляет значительную часть антарктического дрейфующего льда и становится всё более распространённым в Арктике, допускает массовый вертикальный поток только при доле рассола около 10 процентов — примерно вдвое выше привычного «правила пятёрок» для колонарного льда. Этот более высокий порог влияет на скорость оттока талой воды, образование луж на поверхности и эффективность переноса питательных веществ и газов через лёд. В то же время обнаружение того, что оба типа льда следуют одной и той же универсальной шкале выше своих разных порогов, усиливает идею о том, что статистическая физика предоставляет мощный объединяющий язык для описания сложной и меняющейся структуры полярного морского льда.

Цитирование: Golden, K.M., Furse, C.M., Gully, A. et al. Percolation threshold for vertical fluid flow through granular sea ice. Sci Rep 16, 11435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41706-w

Ключевые слова: проницаемость морского льда, зернистый морской лёд, порог перколяции, полярный климат, солевые каналы