Når bølgene fra havet treffer iskanten, overføres energien til isen. Under en vinterstorm i Tempelfjorden på Svalbard målte matematikere fra UiO at isen løftet seg opp og ned med 12 centimeter i takt med bølgene fra havet. (Foto: WOICE/UiO)
Simulerer oljesøl under arktisk is
Oljesøl i Arktis kan være katastrofalt. Bølgeforskere lager nå en matematisk modell som kan beregne hvordan bølger og dønninger i havet presser oljesøl inn under den arktiske isen.
Arktiske strøk har store mengder gass og olje. I takt med issmeltingen blir områdene stadig mer interessante for oljeselskapene. Uheldigvis er polare strøk spesielt sårbare for oljesøl. Selv små mengder oljesøl kan ta knekken på næringskjeden.
Et av de store spørsmålene er hva som skjer hvis oljesøl skulle treffe iskanten. Matematikere har derfor fått fireårig støtte fra Forskningsrådet for å finne den matematiske forklaringen på hvordan energien fra bølger presser oljesøl under isen.
– Denne forskningen er viktig for å vite hvor nær iskanten det er mulig å drive oljeaktivitet.
Resultatene kan også gi myndighetene en idé om når og hvordan de bør reagere hvis det skulle skje oljesøl nær isen. Det er viktig å reagere i tide. Skulle oljen havne under isen, er den vanskelig å fjerne, forteller professor Atle Jensen på Matematisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Han er en av universitetets fremste bølgeforskere og har brukt de siste femten årene til å beskrive en rekke bølgefenomener matematisk. Nå leder han en forskergruppe på ni mann fra fagfeltene matematikk, mekanikk og oseanografi.
Vannet beveger seg saktere enn bølgebevegelsen. Bølgene inneholder energi. For å forstå hvordan oljen havner under isen, må forskerne først forstå hvordan energien overføres fra bølger til isen. Isen vil dempe bølgene. Ettersom energien ikke kan forsvinne, vil en del av energien gå over til strømninger under isen.
Atle Jensen bruker målingene fra isen på Svalbard til å eksperimentere med samspillet mellom bølger, is og olje i bølgelaboratoriet ved UiO. (Foto: UiO)
Noen av spørsmålene deres er hvordan driftshastigheten til vannpartiklene under isen endrer seg, om det blir mer turbulens under isen, og om oljepartiklene derfor vil blandes mer med vannet når de havner under isen.
– Olje er både seigere og lettere enn vann og flyter som et sjikt på vannskorpen. Hypotesen vår er at oljen ikke vil blandes med vannet, men legge seg som et lag under isen. Selv om det genereres turbulens, vil det likevel ikke skje i en så stor grad at oljen blandes med vannet, antar Jean Rabault, stipendiat i strømningsmekanikk.
For å forstå energioverføringen fra bølger til is var bølgeforskerne vinteren 2015 på tokt i Tempelfjorden, som ligger midtveis mellom Longyearbyen og den nedlagte, russiske bosettingen Pyramiden på Svalbard. Der tok de målinger av hvor mye isen beveget seg når bølgene traff iskanten.
Isen på den to kilometer brede og femten kilometer dype fjorden var mellom 60 og 80 centimeter tykk. Temperaturen var minus 25 grader. Isen var frosset fast til fjellsidene rundt fjorden. De la ut sensorer på isen og målte bevegelsene på isen gjennom to uker.
– Vi var så heldige at vi fikk storm og masse bølger inn i fjordsystemet. Det var ti sekunder mellom hver bølge. I takt med bølgene løftet isen seg og sank igjen med 12 centimeter hver gang. Det er store bevegelser.
Da de kom tilbake vinteren etter for å gjøre mer omfattende målinger, var fjorden dessverre isfri.
Målingene på Svalbard er bare starten på arbeidet deres. For å få en best mulig forståelse av hva som skjer, skal de gjenskape fenomenene fra Svalbard i den 25 meter lange bølgetanken i kjelleren i Matematikkbygningen på Blindern.
Annonse
Bølgetanken er full av vann med sporstoff. Sporstoffet har nøyaktig den samme egenskapen som vann. Partiklene blir lyst opp av laser. Et videokamera tar 200 bilder i sekundet. Det gjør det mulig å beregne bevegelsen til partiklene. Her kan bølgeforskerne i detalj studere hvordan vannpartiklene beveger seg i bølger under gitte forhold.
Eksperimenter med oljesøl er en grisete affære. Bølgeforskerne skal derfor også bygge en egen bølgetank der de kan eksperimentere med bølger og olje.
– Poenget med målingene på Svalbard-isen er å bruke dem i bølgelaboratoriet for å studere de enkelte effektene hver for seg. Det er lettere å sammenligne teorier med forenklete laboratorieeksperimenter enn å tolke feltmålinger som inneholder mange effekter på én gang. Når vi har forstått hvordan bølgene og isen påvirker hverandre, kan vi også se på hva som skjer med bølger, is og olje. Det er naturlig nok ikke mulig å gjøre slike forsøk i naturen. Vi må derfor teste dette i et laboratorium, forteller Atle Jensen, som vil forenkle teorien så mye som mulig, slik at de kan forklare hva som skjer, med enkle, matematiske modeller.
I bølgelaboratoriet kan de også se hvordan strømningene i vannet endrer seg med ulike overflatelag og hvordan isen brytes opp av bølgene. Ved å endre overflatelagene kan de se hvordan teoriene deres fungerer og skille de ulike effektene fra hverandre.
– Bølgeforskningen vår er derfor også interessant for klimaforskerne. Det er en sammenheng mellom isen og bølger. Storm skaper isflak. Isen kan brytes av større dønninger og sterkere stormer. Da smelter isen fortere, poengterer Jean Rabault.
Statoil er svært interessert i resultatene og sier til Apollon at resultatene er viktige for å modellere hvordan bølger påvirker spredningen av eventuell olje under is.
– Forskningen ved UiO gir oss bedre grunnlag for å vurdere om disse effektene er av betydning for å modellere drivbanen til eventuelle oljeutslipp og om de skal inkluderes i eksisterende modeller, sier forsker Sigurd Henrik Teigen i Statoil Stavanger.
