Выталкивание рассола — уникальный природный феномен, который происходит во время замерзания солёной морской воды. Поскольку солёность океанов довольно высока, процесс этот имеет огромное значение для формирования структуры морского льда, свойства подледных вод и, в конечном итоге, глобальных океанических циркуляций, задающих климатические режимы нашей планеты. Многие знают, что при замерзании пресной воды она превращается в чистый лед, однако преследует ли такая ситуация солёная вода? Оказывается, нет: ионные соли, содержащиеся в морской воде, не могут встроиться в кристаллическую решётку льда. В результате в момент кристаллизации вода «выталкивает» рассол, то есть более солёную и плотную воду, которая уходит вниз, в толщу океана. Этот процесс и называется «выталкиванием рассола» или brine rejection.
Появление солёных брайн-каналов внутри льда связано со скоростью замерзания и его толщиной. В начальных фазах формирования морского льда солёные включения оказываются заключены между кристаллами в так называемых брайн-клетках. Но как только лед достигает критической толщины порядка 15 сантиметров, заключённый внутри рассол начинает активно выталкиваться вниз в окружающую воду, образуя интенсивные конвективные потоки.На самом деле морской лед характеризуется градиентом солёности: от поверхности, почти пресной и сухой, до основания— там, где лед контактирует с океанской водой, солёность может достигать 4 промилле. Интересно, что скорость формирования льда напрямую влияет на количество оставшегося внутри рассола: чем стремительнее замерзание, тем больше брайн-клеток задерживается в структуре льда.
Со временем, по мере старения морского льда, происходит постепенное снижение его солёности — процесс десалинации. Рассол мигрирует изнутри к более тёплой стороне ледяного слоя, чаще всего к границе лед-вода, и уходит обратно в океан. Это происходит несколькими способами. Солю растворённых веществ способствуют диффузии через ледяную структуру, гравитационному стеканию — когда плотность внутреннего рассола превышает плотность окружающей морской воды, он устремляется вниз через конвективные потоки, а также за счёт механического выдавливания через трещины и из-за давления нарастающего льда при его расширении. В результате через несколько лет многолетний лед может иметь солёность менее 1 промилле, что существенно отличает его от молодого.
Выталкивание рассола играет критическую роль в формировании глубоководных масс. Особенно ярко этот процесс выражен в арктических и антарктических морях — тех природных лабораториях, где происходит одна из главных циркуляционных движущих сил мировой гидросферы. В северной части Атлантического океана именно за счёт выталкивания рассола и замерзания воды образуется плотная, холодная водная масса — так называемая Североатлантическая глубинная вода. Её аналог в южном океане — антарктическая донная вода. Эта плятная, холодная и солёная вода опускается на дно океана, «подпитывая» глобальную термохалинную циркуляцию — «мировой океанский насос», который регулирует температуру и переносит тепло по планете.
Особое внимание заслуживает феномен под названием бринникль — ледяной «icicle» (сосулька) из концентрированного рассола, формирующийся при выходе очень холодной и солёной воды из брайн-каналов sea ice. Поток этой воды, опускаясь в более тёплую и менее солёную морскую воду, способен заморозить окружающую воду, создавая тонкие, порой впечатляющие ледяные трубочки, которые в спокойном состоянии могут достигать дна океана. Именно эти бринники способны мгновенно заморозить морское дно, демонстрируя неожиданные формы взаимодействия между взаимодействующим морским льдом и океаном. Понимание процесса выталкивания рассола приобретает особую актуальность в контексте климатических изменений. Как известно, глобальное потепление снижает площадь и толщину морского льда, что потенциально влияет на количество выделяемого брайнов и скорость формирования плотных водных масс.
С одной стороны, более тонкий лед хуже изолирует воду, что может привести к увеличению зимнего производства морского льда и усилению процесса brine rejection. С другой стороны, сокращение общей лёдовой массы может привести к ослаблению термохалинной циркуляции и, как следствие, к нарушению глобального климата. К примеру, исследования последнего ледникового максимума указывают на то, что стремительное снижение площади морского льда и, следовательно, уменьшение выталкивания рассола было связано с ослаблением глубинного стратифицированного слоя океанов, высвобождением углекислого газа и резким изменением климата — процессом, который называют дегляциацией. Понимание этих связей помогает прогнозировать последствия современных изменений и разрабатывать меры по смягчению климатических катастроф. Кроме того, выталкивание рассола оказывает влияние на биологические экосистемы, населяющие морской лед и прилегающие к нему воды.
Брайн-каналы в толще льда служат микроскопическими убежищами для различных организмов, включая бактерии, микроводоросли, протисты и даже мелких животных. Эти экосистемы являются уникальными по своему энергоснабжению и биохимической активности. Кроме того, процесс взбалтывания и перемешивания водной толщи за счёт брайновых потоков способствует переносу кислорода и питательных веществ между слоями океана, что поддерживает жизнеспособность морских экосистем и повышает их продуктивность. Значительный интерес представляет чувствительность процесса выталкивания рассола к локальным географическим условиям. Так, в некоторых морях, таких как Охотское, образование полынь — участков открытой воды, окружённых льдом — создаёт оптимальные условия для непрерывного удаления рассола.
Ветер, выдувающий лёд с поверхности полыньи, способствует контакту воды с холодным воздухом и ускорению процесса замерзания. Результирующая плотная и солёная вода, называемая плотной прибрежной водой, опускается и движется вдоль шельфа, увлекая за собой глубокие массы, такие как Северо-тихоокеанская промежуточная вода. Она играет важнейшую роль в циркуляции северной части Тихого океана, влияя на снабжение кислородом и питательными веществами глубинных вод. Принимая во внимание накопленные наблюдения и экспериментальные данные, современные океанографы и климатологи подчёркивают необходимость дальнейшего изучения механизмов выталкивания рассола и его участия в глобальной системе. В частности, новые спутниковые технологии, автоматические подледные датчики и высокоточные модели позволяют выявлять изменения в масштабах и скорости замерзания льдов, динамики рассоленных потоков и связанных с ними океанических процессов.
Это важно как для оценки влияния изменений климата, так и для прогнозирования возможных сценариев развития мирового океана и его влияния на атмосферу. Таким образом, выталкивание рассола — это не просто физико-химический процесс формирования морского льда, а ключевой фактор, задающий динамику глубинных океанических течений, поддерживающих климатические и биологические системы Земли. Его изучение раскрывает сложные взаимосвязи между льдом, океаном и атмосферой и помогает понять, каким образом изменения в Арктике и Антарктике способны отразиться на глобальном масштабе.
