Juste un jour de plus au bureau. En plus d'effectuer des tests dans le bassin de maquettes de navires de Hambourg, les chercheurs Martina Lan Salomon et Sönke Maus et leurs collègues prélèvent également des échantillons à Svalbard, sur la banquise à Van Mijenfjorden près de la ville minière de Svea. Crédit :Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU)
La glace de mer est plus compliquée que vous ne le pensez. Ce n'est pas solide. C'est beaucoup plus comme une éponge, traversé de minuscules canaux et pores pouvant contenir du sel, eau de mer salée, ou des bulles d'air.
Cette structure est importante en cas de déversement de pétrole. Le pétrole est plus léger que l'eau de mer, donc s'il est renversé, il peut migrer vers le haut, dans les petits canaux dans la glace, ce qui peut le piéger et compliquer le nettoyage. Mais la vérité est que la banquise arctique est si complexe qu'il est difficile de savoir exactement comment le pétrole et la glace vont interagir.
L'étudier est également difficile car l'échantillonnage et les tests traditionnels peuvent écraser ou déformer la structure même que vous essayez de comprendre, dit Sönke Maus, un post-doctorat à l'Université norvégienne des sciences et de la technologie. et membre d'un groupe de recherche international appelé MOSIDEO (Interaction microscopique du pétrole avec la glace de mer pour la détection et la gestion des risques environnementaux dans les opérations durables).
"Nous regardons des canaux d'un dixième de millimètre de diamètre, " dit Maus. " Et si nous voulons savoir ce qui se passe dans la glace, nous avons besoin d'une image en trois dimensions."
Difficile d'évaluer une marée noire sous la glace
Voici comment Maus décrit le problème :si du pétrole brut est déversé dans l'océan, il flotte normalement. Mais si le pétrole est libéré ou renversé sous un couvercle de glace de mer, il sera piégé sous la glace.
"Selon la microstructure de la banquise, le pétrole peut être piégé ou continuer à remonter vers la surface, " a-t-il dit. " Donc, si nous voulons évaluer les conséquences environnementales d'une marée noire sous la glace, on veut vraiment savoir quand et si le pétrole va remonter à la surface, jusqu'où la glace dérivera avant que le pétrole ne fasse surface, et quelle quantité d'huile sera piégée dans la glace lorsque la glace fondra enfin."
Si cela ne semble pas assez difficile, il y a des questions encore plus difficiles auxquelles il faut répondre pour savoir comment faire face à un déversement de pétrole, dit Maus.
Une semaine pour agir
D'abord, rappelez-vous que la glace de mer ressemble plus à une éponge qu'à une substance solide. Les canaux et les pores de la banquise sont différents selon l'endroit où ils se trouvent dans la glace. A sa surface, où la glace est en contact avec des températures de l'air froid, la glace de mer a des pores plus petits et moins connectés.
Voici ce que la technologie de visualisation montre aux chercheurs, avec une flaque d'huile au fond de l'échantillon et de la saumure et une grande poche d'air. Malgré ces obstructions dans la glace, le pétrole a encore pu migrer vers le haut dans la glace vers la surface. Crédit :Martina Lan Salomon, NTNU
Maus dit que le pétrole ne pénètre normalement que dans les pores plus larges et doit également pousser l'eau de mer hors des pores. En hiver, la glace est souvent trop froide en surface pour le permettre, et l'huile sera piégée. Mais au printemps, ou lorsque la glace se réchauffe par temps chaud, le pétrole peut migrer à la surface.
Une fois que l'huile fait surface, "il faut agir très vite, " dit Maus. " La seule approche réaliste pour enlever cette huile de la surface d'une couche de glace fermée est de la brûler. Cependant, la majeure partie de l'huile ne peut être brûlée que pendant une fenêtre d'opportunité d'une semaine en général. »
Après une semaine, l'huile est dite "altérée". Il a perdu certains composants et s'est mélangé à de l'eau et ne peut plus être éliminé en le brûlant.
"Ce pétrole menace alors l'écosystème arctique, " dit Maus.
Imagerie médicale sur glace
Maus et ses collègues, dont Martina Lan Salomon, un doctorat MOSIDEO. candidat, perfectionnent l'utilisation de la microtomographie à rayons X pour étudier la glace, dans le but ultime d'aborder toutes ces inconnues afin qu'ils puissent mieux prédire ce qui arrivera aux déversements de pétrole dans l'Arctique.
L'objectif principal de MOSIDEO, qui comprend des chercheurs du NORUT, l'Institut de recherche nordique, NORUT Narvik, NTNU et l'Université d'Alaska, est d'en savoir plus sur les interactions entre le pétrole et la banquise. Les chercheurs espèrent que leurs travaux amélioreront l'évaluation des risques et la planification d'urgence en cas de déversement de pétrole. Il est financé jusqu'à fin 2018 par le Research Council of Norway.
L'approche utilisée par les chercheurs repose sur une version à plus haute résolution de la technologie qui permet à votre médecin de créer une image de tomodensitométrie.
Essentiellement, les chercheurs créent une série d'images bidimensionnelles consécutives d'un échantillon de glace de mer pendant sa rotation. Cela produit des milliers d'images de transmission 2D qui peuvent être utilisées pour reconstruire la structure interne de la banquise. Une reconstruction réalisée à l'aide d'un algorithme mathématique puissant, transforme ces images en une gamme de valeurs de gris qui reflètent différentes densités de matériaux pour la glace, eau salée, cristaux de sel et air. ). En pratique l'image 3D, généralement 2000 x 2000 x 2000 "voxels, " ou l'équivalent 3D d'un pixel, est souvent stocké sous la forme d'une pile de tranches 2D.
"Il y a quinze ans, il fallait un super ordinateur pour faire ça, " a déclaré Maus. " Mais maintenant, nous pouvons analyser une image de 30 gigaoctets en utilisant une bonne carte graphique et un bon logiciel. " Les chercheurs ont également accès à un scanner CT à l'université via RECX, le Centre norvégien de diffraction des rayons X, diffusion et imagerie (recx.no).
Les chercheurs injectent de l'huile dans les différents échantillons de glace. Les 32 échantillons sont tous injectés d'huile en même temps, puis les chercheurs peuvent prélever des échantillons chaque jour dans une carotte différente pour voir comment le pétrole se déplace au fil du temps. Crédit :Giuliani von Giese, Hambourg
Le doctorat de Salomon est parrainé par une société de logiciels allemande appelée Math2Market, ce qui rend le logiciel que les scientifiques utilisent pour analyser leurs images glacées.
De Hambourg au Svalbard
Mais les images et les logiciels ne sont que la pointe de l'iceberg, pour ainsi dire. Pour étudier la glace de mer, il faut avoir de la glace de mer, et d'étudier les déversements d'hydrocarbures dans la banquise, vous devez créer des déversements de pétrole.
Maus et Salomon s'attaquent à ce problème de deux manières. La première consiste à mener leurs expériences de déversement de pétrole dans un bassin de glace à Hambourg, Allemagne, appelé HSVA, ou le bassin de maquettes de navires de Hambourg.
Ici, ils peuvent contrôler les conditions au fur et à mesure qu'ils développent leur approche d'étude. Ils gèlent une série de longs tubes en carton dans la glace, comme le même que vous pourriez utiliser pour stocker une carte ou une affiche. Ils peuvent alors introduire de l'huile au fond de tous les tubes. Chaque jour, ils prélèvent un échantillon dans un nouveau tube et voient comment l'huile se déplace de jour en jour.
La glace de mer expérimentale est bonne, bien sûr, mais encore mieux, c'est de voir ce qui se passe dans le monde réel. Pour faire ça, les chercheurs se sont rendus dans l'archipel norvégien du Svalbard, où ils conduisent des motoneiges de la ville principale de Longyearbyen à un petit avant-poste appelé Svea, environ deux heures de route.
Plus de tubes congelés, et l'autorisation de répandre du pétrole
A l'hiver et au printemps 2016, Salomon et Maus ont gelé 15 tubes en carton dans la banquise à l'extérieur de Svea, et obtenu la permission des autorités du Svalbard de créer leur propre mini marée noire (et soigneusement contrôlée), en introduisant de l'huile et du diesel dans les tubes.
Une fois par semaine, ils sont retournés à Svea pour échantillonner les tubes, ce qui leur a permis de voir comment l'huile se déplaçait vers le haut, et comment la microstructure de la glace a changé au fil du temps.
Salomon peut ramener les échantillons au laboratoire de l'UNIS, le Centre universitaire de Svalbard, et centrifuger les échantillons exempts d'huile pour éliminer toute l'eau de mer. Elle peut ensuite créer des images de microtomographie aux rayons X de la banquise pour la comparer aux microstructures de la banquise avec le pétrole introduit.
La glace doit être maintenue à la bonne température pour préserver les structures à l'intérieur, ce qui est en soi un autre défi si les chercheurs doivent transporter la glace jusqu'en Norvège continentale, ou en Allemagne, où ils avaient accès à une installation spéciale qui était beaucoup plus rapide et pouvait produire une meilleure qualité d'image. Jusque là, l'utilisation de blocs congelés spéciaux – la « glace bleue » que les gens peuvent utiliser dans leur panier de pique-nique pour garder les aliments périssables au frais – fonctionne bien. Au Svalbard, où la température de l'air est en réalité beaucoup plus froide que la banquise, les chercheurs ont le problème inverse.
"Nous ne voulons pas que la glace soit trop froide, " a déclaré Maus. " Nous avons donc des boîtes isothermes spéciales que nous pouvons chauffer à la bonne température pendant que nous revenons de Svea à Longyearbyen. "
5 à 7 pour cent des océans du monde
Pour le moment, les deux chercheurs perfectionnent toujours leurs techniques d'imagerie et construisent des modèles informatiques qui les aideront à décrire la structure de la banquise jusqu'à ses plus petits pores.
La prochaine étape consiste à utiliser ces informations pour aider à prédire comment le pétrole se déplacera dans la glace, dit Maus.
« En cas de grave marée noire dans l'Arctique, les résultats de notre projet seront importants pour minimiser les dommages à l'environnement, " dit Maus.
Mais la structure de la banquise a une importance bien au-delà des marées noires, alors que les scientifiques s'efforcent de comprendre le changement climatique, écosystèmes arctiques et développer une base d'informations plus substantielle pour l'ingénierie arctique, il a dit.
"C'est une étape importante dans la compréhension de la glace de mer poreuse qui recouvre, en moyenne, 5 à 7 pour cent des océans du monde, et joue un rôle clé dans la détermination du climat et de l'environnement de la Terre dans les régions froides, " il a dit.
