Formation of brine channels in sea ice
Final Report Abstract
Aufgrund des Salzgehaltes friert Meerwasser nicht homogen, sondern es bilden sich filigrane Salzwasserkanäle. Diese sind als Lebensraum für Algen und Mikroorganismen äußerst bedeutsam, da diese ca. ein Fünftel der CO2 Absorption der polaren Meere realisieren. Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurde ein mikroskopisches Modell entwickelt, das es erlaubt, die Struktur von Eis mit dem Salzgehalt als wesentliche gekoppelte Ordnungsparameter zu beschreiben. Entsprechend der Bedeutung dieser Eiskanalverteilung wurde in Zusammenarbeit mit dem AWI Bremerhaven ein neuartiger Modellansatz in Form einer Phasenfeldtheorie abgeleitet. Die Berücksichtigung von Erhaltungssätzen führte zu Cahn-Hilliard-artigen Gleichungen, die numerisch in einer und in zwei Dimensionen gelöst worden sind. Diese nichtlinearen Evolutionsgleichungen gestatteten es, die zeitliche Entwicklung der Morphologie dieser Salzwasserkanäle zu berechnen sowie das Phasendiagramm der möglichen Parameter zu bestimmen. Hierbei zeigte es sich, daß drei Parameter die Entwicklung der Strukturentstehung beschreiben, wobei das Phasendiagramm nur durch zwei dieser drei bestimmt ist. Im Rahmen des Projektes konnten diese drei phänomenlogischen Parameter mit den experimentellen Werten von Wasser, wie die Über- und Unterkühlung, sowie die spezifische Wärme und die Umorientierungsraten der Moleküle in Verbindung gebracht werden. Die überraschend gute Übereinstimmung der berechneten Strukturen mit den experimentellen Daten ermutigte, diesen Zugang auch auf das Problem der gefrierverhindernden Proteine anzuwenden. Diese Proteine werden von Fischen, Pflanzen und Insekten gebildet und erlauben es den Lebewesen, bis zu Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt zu überleben. Wir konnten mit Hilfe gekoppelter Ordnungsparameter, die hier die Proteinkonzentration und die Struktur des Eises/Wasser darstellten, das nichtlineare Verhalten der thermodynamischen Hysterese beschreiben. Als neuer Mechanismus konnte ein Blockieren der Bildung größerer Eiskristalle und damit das Verhindern des Durchfrierens ausgemacht werden. Dieser dynamische Prozeß ist ein neues Resultat dieses Zugangs. Dieses Thema der Mikroorganismen, die in Salzwasserkanälen überleben, hat auch Interesse in der Presse geweckt, wobei entsprechende Artikel in der Tagespresse, den Hochschulblättern und als Pressemitteilung erschienen sind. Als bedeutsame Anwendung dieser gekoppelten Phasenfeldtheorie konnte das Wachstum von Materialschichten unter dem Einfluß von zusätzlichen Ionenstrahlen beschrieben werden. Dieses ausgearbeitete Modell erlaubt es, Voraussagen über müogliche Materialstrukturen in Abhängigkeit von wesentlichen Ordnungsparametern zu treffen, die als Kombination vieler experimenteller Parameter extrahiert werden konnten.
Publications
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Phys. Rev. E 81 (2011) 036106-1-10: Modeling the morphogenesis of brine channels in sea ice
B. Kutschan, K. Morawetz, S. Gemming
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AIP Advances 2 (2012) 022146: The effect of electromagnetic fields on a charged catenary
K. Morawetz
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Phys. Rev. B 86 (2012) 085452-1-17: Instability types at ion-assisted alloy deposition: From two-dimensional to three-dimensional nanopattern growth
G. Abrasonis, K. Morawetz
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Phys. Rev. E 86 (2012) 026302-1-9, errata Phys. Rev. E 86, 069904-1: Theory of water and charged liquid bridges
K. Morawetz
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Conserving theory of brine channel formation in sea ice: Short-time frozen structures.
S. Thoms, B. Kutschan, K. Morawetz
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Dynamical mechanism of antifreeze proteins to prevent ice growth. Physical Review E (2014)
B. Kutschan, K. Morawetz, S. Thoms
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Microchannel formation in seaice as habitat for microalgae
K. Morawetz, S. Thoms, B. Kutschan
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Phys. Rev. E 89 (2014) 032146: Aging of the (2+1)-dimensional Kardar-Parisi-Zhang model
Odor, G.; Kelling, J.; Gemming, S.
