ذوب شدن یخهای قطبی یکی از مهمترین پیامدهای گرمایش زمین است. کاهش سطح یخهای دریایی، بهویژه در قطب شمال، نهتنها زیستبومهای منحصربهفرد این مناطق را تحت تأثیر قرار میدهد، بلکه میتواند بر بازتاب نور خورشید، گردش اقیانوسی و حتی سیستم اقلیمی زمین نیز اثر منفی بگذارد.
به همین دلیل، دانشمندان علاوه بر تلاش برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای، در حال بررسی روشهایی برای کند کردن روند ذوب یخها هستند.
ایراد ایدههای قبلی
روش های مختلفی تا به حال پیشنهاد شده است، مانند:
- استفاده از سایهبانهای بزرگ برای جلوگیری از برخورد نور مستقیم خورشید و آب شدن یخهای قطبی (اشکال: گران بودن و سخت بودن اجرا در مقیاس بزرگ؛ تقریبا ناممکن)
- پاشیدن مواد شیمیایی یا میکرو ذرات شیشهای روی یخ تا مثل عایق بین سطح یخ و نور خورشید عمل کنند (اشکال: هزینه بالا برای اجرا در مقیاس وسیع، اجرای سخت، احتمال آلوده شدن محیط زیست و موجودات زنده)
شرح مشکل و مراحل کشف ایده
در تابستان شدت نور خورشید به اوج خود میرسد و بیشترین آب شدگی یخهای قطبی در این فصل اتفاق میافتد. اگر در تابستان یخها و برفهای بیشتری در قطب موجود باشد، آنوقت دوام آن در تابستان بیشتر خواهد بود و پس از پایان فصل شاهد مقدار بیشتری از یخ هستیم تا دوباره در فصل سرما، یخهای آب شده، جبران شوند.
تفاوت تابستان و زمستان در قطب
اختلاف تابستان و زمستان در قطب شمال بسیار زیاد است.
- در تابستان: خورشید برای چند ماه اصلاً غروب نمیکند! تقریباً از اواخر مارس تا اواخر سپتامبر خورشید بالای افق است؛ یعنی مدام روز قطبی داریم.
- در زمستان: تقریباً از اواخر سپتامبر تا اواخر مارس خورشید اصلاً طلوع نمیکند؛ یعنی مدام شب قطبی داریم.
اما چطور میتوان یخ بیشتری در تابستان داشت؟
ما متوجه نکته جالبی شدیم. اینکه در زمستان، وقتی به علت سرما، سطح دریاها و دریاچهها یخ بسته است، در زیر لایه یخ، آب گرمتر از محیط بیرون است. حتی میتوان در زیر یخها شنا کرد. چون لایه یخ، مثل عایق عمل کرده و هوای سرد بیرون به داخل آب نفوذ نمیکند.
بنابراین سرمای هوا از سطح آب شروع میکند به یخ سازی، و هرچقدر سرما بیشتر و طولانیتر باشد، لایه ضخیمتری از یخ تشکیل میشود.
در نهایت یک لایه ضخیم یخ داریم که آبِ زیر آن، نسبتا گرم مانده است و یخ نزده است.
فصل زمستان تمام شده و با گرمتر شدن هوا، حالا در تابستان همین لایه یخی که در فصل سرما تشکیل شده بود، باید دوام بیاورد.
پس باید به دنبال این باشیم که لایه یخ را ضخیمتر کنیم.
ایده چگونه کار میکند؟
در قطب شمال، به هنگام زمستان، دمای هوا میتواند به دهها درجه زیر صفر برسد.
در چنین شرایطی اگر آب روی زمین ریخته شود فورا یخ میزند. پس کافیست مقداری از آبی که در زیر لایه ضخیم یخ، هنوز یخ نزده و گرم مانده را به بیرون پمپاژ کنیم و روی یخ ها بریزیم.
این آب فورا یخ زده و لایه یخ ضخیمتر میشود.
برای اینکه آب سریعتر یخ بزند بهتر است در خروجی لوله آب، از یک توری مخصوص استفاده کرد تا آب به صورت دانههای ریز به بیرون پاشیده شود. چون هرچه قطره کوچکتر باشد، نسبت سطح به حجم آن افزایش پیدا میکند و تبادل حرارتی آن با هوای سرد سریعتر خواهد بود. در نتیجه زودتر یخ میزند.
پس کل فرآیند را میتوان به شکل زیر تصور کرد:
آبهای زیر لایههای یخهای قطبی ← پمپ ← نازلهای بسیار ریز ← قطرات آب ← انجماد در هوای سرد ← تشکیل یخ ← افزایش ضخامت یخ در زمستان ← ذخیره یخ بیشتر برای تابستان
اگر این فرآیند در زمان و مکان مناسب انجام شود، میتوان امیدوار بود که مقدار بیشتری از آب موجود در محیط به شکل یخ یا برف روی سطح باقی بماند.
در واقع ما در این طرح، از سرمای زمستان به شکل بهینه استفاده میکنیم و مقداری از آب های زیرین یخهای قطبی هم به سطح آورده و تبدیل به یخ میکنیم.
مزیتهای طرح:
- کاملا طبیعی بدون آسیب به محیط زیست و جانداران منطقه
- نسبتا ارزان و سریع
- قابل اجرا در مقیاسهای وسیع
یکی از جذابترین ویژگیهای این ایده این است که ماده اولیه در دسترس است و نیاز به تولید آن نیست. یعنی نیازی نیست ماده خارجی مانند پودر سفید، مواد شیمیایی یا ذرات بازتابنده روی قطب پخش شود. ماده اولیه، یعنی آب دریا، همانجا وجود دارد.
این موضوع میتواند یک مزیت زیستمحیطی مهم باشد.
یک سامانه هوشمند چگونه میتواند کار کند؟
نیازی نیست کار به طور کامل به صورت دستی انجام شود، میتوان بخش عظیمی از آن را اتوماسیون کرد. نسخه پیشرفته این ایده میتواند کاملاً خودکار باشد.
با استفاده از حسگر، میتوان اطلاعاتی مانند دمای هوا، ضخامت یخ و میزان تابش خورشید را اندازهگیری کرد.
سپس یک سیستم کنترل مرکزی تصمیم میگیرد که آیا شرایط برای پمپاژ آب به بیرون مناسب است یا خیر و اگر مناسب بود پمپ را روشن میکند.
فایده سیستم هوشمند این است که حتی اگر در فصل تابستان، هوا به ناگهان به شدت سرد شد، سیستم فرصت را برای پمپاژ آب زیرین به بالا و تشکیل لایه های جدید یخ مناسب میبیند و پمپ را روشن میکند.
چالش اجرای ایده
یکی از بزرگترین چالشهای اجرای این طرح، انرژی مورد نیاز برای پمپاژ آب دریاست.
اگر بخواهیم این فناوری را در مناطق دورافتاده قطبی اجرا کنیم، انتقال برق از مناطق شهری دشوار و پرهزینه خواهد بود.
اما میتوان از انرژی باد، خورشید یا ترکیبی از منابع تجدیدپذیر استفاده کرد.
البته در زمستان قطبی، تابش خورشید بسیار کم یا حتی برای مدتی تقریباً صفر است؛ بنابراین انرژی خورشیدی بهتنهایی نمیتواند همیشه منبع مناسبی باشد. مخصوصا که در این طرح، پمپ در فصل زمستان مورد استفاده قرار میگیرد.
اما در عوض، باد میتواند در بسیاری از مناطق قطبی منبع انرژی مناسب و قابلتوجهی باشد. چون باد در آنجا زیاد و نسبتا شدید است.
پس این سیستم قابل طراحی است:
توربین بادی ← تولید برق ← پمپ آب دریا ← نازلهای پاشش ← تولید یخ
انتخاب مناطق ضروری قطب
به هر حال با وجود اینکه این ایده نسبت به سایر ایدههای موجود کم هزینهتر و آسانتر است، اما اجرای آن در مقایس بزرگ، نیازمند دستگاهها و هزینههای نگهداری و تعمیر است.
پس استراتژی هوشمندانه این است که مناطق ضروری و آسیب دیده قطب را شناسایی کرده و از این ایده در آن مناطق استفاده شود.
برای مثال، طبق مدلهای اقلیمی بعضی مناطق نقش مهمی در پایداری یخ دریایی دارند، پس میتوان سامانه را فقط در همین مناطق نصب کرد.
در این حالت، هدف این نیست که کل قطب را مجهز به چنین سیستمی کنیم؛ بلکه هدف این است که نقاط حساس سیستم را تقویت کنیم. نقاطی که به خاطر گرمایش جهانی، در آینده فاقد یخ خواهند بود.
آیا این روش میتواند یخ چند ساله ایجاد کند؟
یکی از اهداف بلندمدت چنین فناوریای میتواند کمک به حفظ یخهای چندساله باشد.
یخهای چندساله معمولاً ضخیمتر و مقاومتر از یخهای یکساله هستند. اگر بتوان در زمستان مقدار بیشتری یخ تولید کرد و بخشی از آن در تابستان باقی بماند، ممکن است چرخهای ایجاد شود که به حفظ ضخامت یخ در سالهای بعد کمک کند.
البته این موضوع باید با مدلهای اقلیمی و آزمایشهای میدانی بررسی شود و نمیتوان صرفاً از روی ایده نتیجه گرفت که چنین چرخهای حتماً اتفاق خواهد افتاد.
منبع: ذهن آموز