Hvor mange bølger må til for å bryte opp isen?

Hvordan virker bølger inn på havis? Og hvordan påvirker havisen bølgene? Jean Rabault har brukt de siste firene årene til å studere bølger i is – dels i felt i Tempelfjorden på Svalbard og dels i laboratorier i Longyearbyen, Hamburg og Oslo. Resultatene er blitt til doktorgradsavhandlingen «An investigation into the interaction between waves and ice» ved Matematisk institutt på Universitetet i Oslo.

Han har særlig studert to fenomener. Det ene handler om hvordan bølgene forplanter seg i isen, noe som har betydning for hvor mye is som brytes opp – og gir føringer for varsling av havis. Det andre handler om hvordan bølger i is skaper strømmer under isen, noe som kan ha betydning for spredning av næringsstoffer og forurensninger.

Is er komplisert

Feltarbeidet har foregått blant annet ved at Rabault og kollegene plasserte ut sensorer som måler bevegelser i isen. Når havbølger når iskanten og fortsetter inn i et islagt område, avtar bølgebevegelsene. Selv med små bevegelser blir isen påvirket og endret, og den brytes lettere opp.

– Vi mangler kunnskap om mekanismene som opptrer, selv om fenomenet har vært studert lenge. Is er nemlig et veldig komplisert materiale. Isen i Tempelfjorden er ikke den samme fra år til år. Temperatur og vind og andre faktorer påvirker isdannelsen, forteller Rabault til Titan.uio.no.

En av de største utfordringene er å samle tilstrekkelig med data til å fastslå hva som er tilfeldige variasjoner i målingene og hva som er resultat av naturens mekanismer.

Målet for arbeidet med bølger-is-dynamikk er å utarbeide gode modeller som kan brukes til prognoser og varsler for bevegelser i is. I dag har ikke forskerne tilstrekkelig med data til å kalibrere disse modellene. Derfor er det behov for flere målinger av isbevegelser og bølger.

Fra Svalbard-is til Blindern-lab

I mars hvert år siden 2015 har Rabault og et forskerteam fra Universitetet i Oslo og UNIS vært i Tempelfjorden og utført målinger i iskanten med ulike typer instrumenter.

– Først gjør vi ulike målinger i isen. Så reiser vi tilbake til universitetet og analyserer dataene for å finne ut hvilke mekanismer som opptrer. Deretter bygger vi eksperimenter i bølgetanken på laboratoriet for å isolere mekanismene og studere dem i detalj. På denne måten finner vi ut hva vi trenger å utforske nærmere når vi reiser tilbake til Svalbard året etter – hva vi skal måle og hvilke instrumenter vi har behov for.

Ideelt sett skulle Rabault og teamet ha gjort flere eksperimenter i felt. For det er tross alt der sannheten befinner seg, ikke i en lab i kjelleren på matematikkbygget på Blindern eller en bølgetank i Hamburg. Men det er to forhold som gjør det umulig, eller i alle fall svært vanskelig.

Det ene er at mange mekanismer fungerer samtidig, som vind, temperatur og havstrømmer. De påvirker hverandre i et komplekst samspill, og det er utfordrende å avgjøre hvilke mekanismer som er utslagsgivende. Bare i et kontrollert miljø kan mekanismer slås av og på.

Det andre er at det ofte kan være rundt 30 kuldegrader på Svalbard-isen, og det er svært krevende å utvikle og bruke instrumenter som tåler slike forhold.

– Etterhvert som vi analyserer dataene og forstår mer og mer, ser vi samtidig hva vi mangler av data og hva vi burde ha målt. Dermed reiser vi hvert år tilbake til Svalbard med nye ideer og kunnskap om hva vi skal forske mer på, forteller Rabault.

Utvikler egne sensorer

Også nye og forbedrede instrumenter inngår i bagasjen når forskerteamet hvert år drar tilbake til Svalbard.

Det første året måtte de lære hvordan de skulle gjøre målinger. UiO har jobbet mye med bølger tidligere, men ikke med bølger i is. Så forskerne måtte starte med å finne fram til hvilken teknologi og hva slags instrumenter de skulle benytte. Etterhvert er instrumentene blitt kraftig forbedret, basert på felterfaringene.

– En god del av jobben min i det siste har vært å utvikle nye sensorer som kan måle bevegelse i is, beregne egenskapene til disse bevegelsene og så sende dataene via satellitten Iridium, forteller Rabault, som selv har bygget elektronikken og skrevet koden.

Trenger en global oversikt

– Hva har dere funnet ut om forholdet mellom bølger og is?

– Først og fremst har vi fått fram nye data som vi bruker for å kalibrere modellene, så de blir mer pålitelige. Dette er nyttig for Meteorologisk Institutt og deres arbeid med å lage prognoser for isutviklingen, siden forekomsten av is er så viktig for skipsfart og all menneskelig aktivitet i nordområdene, forteller Rabault.

– Men dataene er også viktige for å sammenligne ulike teorier. Det finnes nemlig forskjellige teorier om hvordan bølger dempes når de kommer inn i isen. Vi har påvist hvilke mekanismer man trenger å se nærmere på i det videre arbeidet.

Behovet for mer forskning er nemlig stort – ikke minst hvis man tar i betraktning størrelsen på Arktis, den samlede mengden havis i verden samt de økonomiske, politiske og økologiske følgene av endringer i havisen. Likevel snakker vi om et smalt fagfelt, med bare tre – fire forskningsmiljøer i verden. 

– Vi trenger store mengder data i fremtiden for å jobbe videre med modeller og prognoser. Problemet er som nevnt at det finnes så mange forskjellige typer is. Vi trenger å innhente data fra mange steder i verden og lage en global oversikt med informasjon om de ulike istypene, slik at man kan gjøre sammenligninger og bygge opp en kunnskapsbase.

Fluidmekanikk er alt

Det var interessen for fluidmekanikk som trakk Rabault til doktorgradsprosjektet ved UiO.

– Fluidmekanikk omfatter alt som har å gjøre med væske som beveger seg. Fluidmekanikk er spennende fordi det omgir oss overalt. Du har det i kroppen, i havet, i lufta, rundt biler og fly og så videre.

I tillegg er fluidmekanikk et spesielt interessant fagområde fordi det ikke er lineært og tidsavhengig. Det har en høydimensjonalitet og det er kaotisk. 

– Det betyr at du får gjort en god del teoretisk. Men ligningene er såpass kompliserte at du ikke kan løse dem analytisk. Du er helt avhengig av å gjøre eksperimenter og simuleringer for å forstå problemet fullt ut. Dette samspillet mellom teori og eksperimenter finner jeg fascinerende.

Nettopp dette var bakgrunnen for at Rabault søkte seg til prosjektet om bølger i is ved UiO.

– Både i Paris og Stockholm hadde jeg jobbet med fluidmekanikk knyttet opp mot ingeniørfag og industriens behov. Dette prosjektet var nesten som en drøm for meg, med mulighet for å kombinere forskjellige aspekter av faget. Jeg har fått gjøre eksperimenter i lab'en, dra til Svalbard og gjøre målinger i naturen – og studere det hele i sammenheng.

Hvordan oppfører små isfjell seg?

Som postdoktor har Rabault en sentral rolle i det nye forskningsprosjektet Dynamics Of Floating Ice (DOFI). Det skal blant annet videreføre kompetansen på metode og teknikk som er bygget opp gjennom WOICE-prosjektet – Experiments on waves in oil and ice, som er finansiert av Forskningsrådet gjennom Petromaks2.

Mens forskerne i WOICE har sett mest på fast og oppsprukket is, skal DOFI fokusere på små isflak.

– Vi skal regne på endringer i stabilitet på isfjell og gjøre simuleringer. Hensikten er blant annet å finne fram til teknikker for å kontrollere små isjfell, med tanke på faren de representerer for skipstrafikk og mulige fremtidige installasjoner.