凯蒂利用理论建模和实验分析来评估“冰火山”对其环境的可行性和敏感性，目前由于气候变化，北极夏季海冰正在以惊人的速度减少。

科学家们说，如果目前冰的减少速度持续下去，未来十年，北极将出现一个没有冰的夏天。

北极海冰有许多好处，例如:

抑制永冻层融化释放甲烷

增加入射太阳辐射被反射的比例

维持调节北半球天气模式的全球洋流

为极地野生动物提供栖息地。

这种方法包括将海水泵过一个漂浮的圆锥形浮标，然后海水在寒冷的北极大气中冻结，形成一个越来越大的圆锥形冰。当冰堆积时，有槽的管道可以让水被泵到更高的地方。科学家说，一旦达到3米的高度，新形成的冰很可能会在夏季融化季节中幸存下来，成为有价值的“多年冰”，至少会在两个夏季融化期间幸存下来。这是一个理想的结果:更厚、更强的常年冰出现在夏季，全年都有好处。该项目名为“冰层增厚-气候修复”，研究了使用“冰火山”方法在冬季增加北极海冰的产量。

凯蒂开发了一个简化的二维模型，用来预测“冰火山”在冰点温度下的淡水和高于冰点温度下的淡水的行为。接下来是实验分析，使用一个映射到二维模型的狭窄通道。实验是在一个温度为-18°C的步入式冰箱中进行的。不同温度和盐度的水(淡水和北极海水盐度的水)被泵过通道，穿过一层冰冷的“原始冰”，让其结冰或融化。然后计算得到的冰厚度的变化。

“冰火山”示意图。海水从下面被泵到一个漂浮的浮标上，然后在那里凝结成一个锥形的“火山”。当冰堆积时，有槽的管道可以让水被泵到更高的地方。垂直尺度被夸大了。图片来源:Katy Cartlidge。

从理论和实验上看，对于处于冰点温度的水来说，结果是很有希望的:沿着海峡，冰很容易均匀地形成，这表明“冰火山”可以成功而均匀地形成。淡水和咸水的实验积冰量都超过了理论预测，这可能是由于模型中忽略了来自空气的热通量。

然而，对于高于冰点温度的水，结果就不那么令人鼓舞了。人们发现，这导致了入口附近冰的大量流失，即使是比冰点温度高几度的水，尽管在水道的下游仍然会产生冰。在“冰火山”的背景下，这暗示着管道周围的冰区域可能在几个小时内完全被侵蚀，形成一个“冰甜甜圈”，除非水的温度在其结冰温度的非常窄的范围内。

凯蒂说:“这种可接受的水温范围太窄，带来了可操作性问题。”“在特定温度下，一座‘冰火山’融化的冰甚至可能比它产生的冰还要多，这使它完全不可行，而且适得其反。”

指水在冰的融化温度以上进入的情况。冰在管道周围被侵蚀，形成一个甜甜圈的形状。图片来源:Katy Cartlidge。

凯蒂说:“这对冰火山来说是有益的，因为如果冰融化的温度高于水结冰的温度，水可能高于冰点温度，但仍然不能融化冰，增加了可操作的温度范围。”“然而，如果海水足够温暖，它仍然会导致上述灾难性的冰损失，使冰火山失效。”实验分析也扩展到盐水中，发现有一些显著的差异，包括融化温度高于盐水本身的冻结温度。盐的存在改变了水的热性质。

对于这一主题的进一步研究，Katy的建议包括:

建立了三维锥体和盐水的理论模型

通过考虑从水到大气的对流、辐射和蒸发，并去除半无限冰的假设，在长时间尺度上提高模型的准确性
详细调查波纹和/或溪流的形成，并确定它们对结冰的影响

继续用盐水进行实验分析，最好是使用一个锥，时间跨度更长

考虑到一座“冰火山”所需的能量的大小和来源

探索“冰火山”的海洋和空气温度，并将其与北极天气模式联系起来，以建议如何、何地和何时实施
开始详细设计“冰火山”，然后在北极条件下建造和测试原型。

凯蒂说:“在北极这样一个独特而脆弱的环境中工作，有必要格外小心。在考虑在北极进行任何试验之前，将在北极条件下进行大量试验，比如我在步入式冷冻室中进行的那些试验。对生态系统、气候和野生动物的潜在影响将在每个阶段进行仔细评估，包括伦理和利益相关方参与在内的正式批准过程，即使是小规模的实地工作也将是详尽的，如果观察到不可预见的负面影响，实验也将停止。”

凯蒂的导师是Shaun Fitzgerald博士，他是剑桥大学气候修复中心的工程教学研究员和研究主任。

关于剑桥气候修复中心

剑桥大学气候修复中心正与剑桥大学的剑桥零度合作，保护我们的地球免受全球变暖的灾难性影响。该中心的使命有三个:减少二氧化碳排放;从大气中去除多余的二氧化碳;重新冻结北极

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。