dsc02164
Bare en ny dag på kontoret. Martina Lan Salomon, Sönke Maus og kolleger tar også prøver på Svalbard, fra sjøisen i Van Mijenfjorden nær Svea. (Foto: Martina Lan Salomon)

Studerer oljesøl i Arktis

Global oppvarming og politiske beslutninger åpner havområdene i Arktis for mer næringsvirksomhet. Men hva skjer om vi får oljeutslipp i nord?

Havis er mer komplisert enn du skulle tro. Den inneholder mange små kanaler og porer fylt med saltlake, saltkrystaller eller luftbobler.

Saltlaken kan utgjøre 10-20 prosent av isens volum. Det vil si at havis inneholder mye væske som til dels vil renne ut, dersom du løfter den opp fra havet.

Et eksempel på hva slags informasjon forskere kan få ved hjelp av programvaren de bruker til å behandle bildene de samler inn fra en olje- og isprøve. En del av oljen (vist i gult) er skjult bak saltlake og luft. Bilde: Martina Lan Salomon, NTNU

Denne strukturen er viktig å kjenne til dersom vi får et oljeutslipp.

Sannheten er komplisert

Siden olje er lettere enn sjøvann, vil den kunne vandre oppover gjennom små, vertikale kanaler i isen. Dermed kunne vi tro at det vil være mulig å fjerne oljen når den kommer til isens overflate.

Sannheten er mer komplisert: Oljens bevegelse gjennom arktisk havis vil være avhengig av isens temperatur, saltinnhold og under hvilken temperatur isen har begynt å danne seg.

– Vi ønsker derfor å finne ut hvordan porene i isen danner seg, under hvilke temperaturer de er åpne for oljebevegelser og undersøker isprøver fra felt i laboratoriet. Det er krevende å studere dette fordi tradisjonell prøvetaking og tester kan knuse eller vri selve strukturen du prøver å forstå, sier Sönke Maus, postdoktor ved Institutt for bygg- og miljøteknikk, NTNU.

Studerer samspill mellom olje og sjøis

Han jobber i en internasjonal forskningsgruppe kalt MOSIDEO – «Mikroskala samspill av olje med sjøis for deteksjon og miljø risikostyring i bærekraftig drift i arktisk farvann».

Hovedmålet med MOSIDEO er å lære mer om samspillet mellom olje og sjøis, og hvordan det kan detekteres. MOSIDEO er et konsortium som ledes av NORUT Narvik og inkluderer NTNU, NORUT Tromsø og University of Alaska. 

Prosjektet vil gi bedre risikovurdering, beredskapsplanlegging og muligheter for å reagere på et eventuelt oljeutslipp.

For å reagere hensiktsmessig på oljesøl, trenger man en god forståelse av hva som skjer inni isen, og man må kunne forutsi når oljen kommer til å nå overflaten.

Arbeidet finansieres av PETROMAKS2-programmet til Norges forskningsråd.

Vanskelig å vurdere oljeutslipp under isen

En typisk prøve etter at den er kuttet fra en større kjerne. Foto: Sönke Maus, NTNU

Slik beskriver Maus problemet: Hvis råolje slipper ut i havet flyter den normalt. Men hvis den havner under et lokk av sjøis, blir den fanget under isen.

– Avhengig av havisens mikrostruktur kan oljen bli fanget, eller den kan fortsette å bevege seg opp mot overflaten, sier han.  

– Hvis vi vil evaluere miljøkonsekvensene av oljeutslipp under isen, trenger vi å vite når og hvorvidt oljen kommer til overflaten, hvor langt isen vil drive før oljen kommer til overflaten, og hvor mye av oljen som blir fanget i isen når isen endelig smelter.

– Og hvis vi vil vite hva som skjer i isen, trenger vi et tredimensjonalt bilde av kanaler, luftbobler og oljen. Vi ser på kanaler som er en tiendedels millimeter i diameter, sier Maus.

Én uke å reagere på

Hvordan kanalene og porene er i sjøisen, varierer med hvor de befinner seg i isen. På overflaten, hvor isen er i kontakt med den kalde lufta, er porene mindre og henger også mindre sammen.

Maus sier at olje normalt bare kommer inn i større porer, og må presse sjøvannet ut av porene. Om vinteren er isen ofte for kald på overflaten for å tillate dette, og oljen blir fanget. Men om våren, eller når isen varmes opp i varmt vær, kan oljen vandre til overflaten.

Dette er hva visualiseringsteknologien viser forskerne. En oljeflekk på bunnen av prøven, brakkvann og en stor lomme med luft. Til tross for disse hindringene i isen har oljen fortsatt greid å flytte seg oppover i isen mot overflaten. (Foto/grafikk: Martina Lan Salomon, NTNU)

Straks oljen når overflaten, må du reagere veldig fort, sier Maus.

– Den eneste realistiske måten du kan fjerne olje fra overflaten av et isdekke på, er å brenne den. Men det meste av oljen kan som regel bare brennes i løpet av en avgrenset periode, som ofte er ca. en uke.

Etter en uke sier vi at oljen er «forvitret». Den har mistet forskjellige komponenter, er blandet med vann og kan ikke lenger fjernes ved å brenne den.

– Denne oljen truer det arktiske økosystemet, sier Maus.

Medisinske metoder på is

Maus og kollegene hans, inkludert doktorgradskandidaten Martina Lan Salomon, bruker røntgenmikrotomografi for å studere isen. Dette er samme teknologi som gjør at legen kan få et CT-skanningsbilde av kroppen din for å finne strukturer som ikke bør være der.

Ved mikrotomografi brukes vesentlig mindre prøver enn ved kroppsskanning, og med en vesentlig høyere oppløsning, helt ned til en mikrometer (en tusendel av en millimeter).

I hovedsak lager forskerne en serie todimensjonale bilder av en isprøve mens den roterer. Dette produserer tusenvis av 2D-bilder av gjennomgående røntgenstråling.

En rekonstruksjon lages ved hjelp av en matematisk algoritme som forvandler disse 2D-bildene til et 3D-bilde av verdiene.

Forskerne Sopfie Wölk og Martina Lan Salomon tar temperaturmålinger av overflaten til de ulike is- og oljeprøvene mens de arbeider i testbassenget ved HSVA i Tyskland. Forskerne kan bruke denne informasjonen sammen med andre parametere for å beregne porøsitet. Foto: Corinne Giuliani, HSVA

Som i medisin, hvor verdiene reflekterer komponenter som ben, fett og vann, viser de forskjellige stoffer som luft, is, saltlake, saltkrystaller og olje. I praksis lagres 3D-bildet ofte som en stabel med 2D-skiver, vanligvis ved 2000 x 2000 x 2000 voxels, eller 3D-ekvivalenten til en piksel.

– For 15 år siden ville du trenge en superdatamaskin for å gjøre dette, sier Maus.

– Men nå kan vi analysere et bilde på 30 GB ved hjelp av en kraftig PC med et godt grafikkort og god programvare. Forskerne har også tilgang til en CT-skanner ved NTNU via RECX (Norwegian Centre for X-ray Diffraction, Scattering and Imaging).

Svalbard – Trondheim – Hamburg

Men CT-skanning og bildeanalyse er bare toppen av isfjellet, for å si det sånn. For å studere havis må du ha havis, og for å studere oljeutslipp i havis må du lage et lite oljeutslipp.

Gjennom MOSIDEO har Maus og Salomon sammen med sine kolleger løst problemet på to måter. For det første har de utført oljeutslippseksperimenter i et skip-testbasseng i Hamburg i Tyskland, kalt HSVA (Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt).

Slik ser det arktiske bassenget ved HSVA i Hamburg ut etter at Maus og kollegene hans er ferdige med sin olje- og isforskning. Foto: Corinne Giuliani, HSVA

Slik ser det arktiske bassenget ved HSVA i Hamburg ut etter at Maus og kollegene hans er ferdige med sin olje- og isforskning. Foto: Corinne Giuliani, HSVA

Her kan de kontrollere forholdene under isvekst og olje-utslipp etter behov. De fryser inn flere lange papprør i isen, den samme typen du bruker for å lagre et kart eller en plakat i. De kan da introdusere olje i bunnen av alle rørene. Hver dag tar de en prøve fra et nytt rør og ser hvordan oljen beveger seg fra dag til dag.

Eksperimentell havis er selvfølgelig bra, men enda bedre er det å se hva som skjer i den virkelige verden. For å gjøre dette har forskerne reist til Svea på Svalbard.

Flere frosne rør og tillatelse til å slippe ut olje

Senvinteren 2016 frøs Salomon og Maus 15 kartongrør inn i sjøisen utenfor Svea, og fikk tillatelse fra Sysselmannen til å gjøre et nøye kontrollert oljeutslipp. De tilføyde olje og diesel til rørene.

En gang i uka returnerte de til Svea for å kontrollere rørene. Det ga dem mulighet for å se hvordan oljen beveget seg oppover, og hvordan isens mikrostruktur endret seg over tid.

En gang i uka i løpet av våren 2016 måtte forskere pendle cirka to timer fra Longyearbyen til forskningsstedet i Svea i øst, cirka 42 kilometer unna. De trengte mye utstyr for å gjennomføre turen. Foto: Sönke Maus, NTNU

Salomon tok prøvene, noen med og noen uten olje, tilbake til laboratoriet ved UNIS, Universitetssenteret på Svalbard. Der kuttet hun prøvene til mindre volum, og sentrifugerte prøvene uten olje i for å fjerne alt sjøvannet.

– Dette kan høres rart ut, sier Maus, men det hjelper oss i senere analyse, fordi vi bedre får fram detaljene av åpne og stengte porer. Deretter fraktet forskerne havisprøvene til Trondheim/NTNU for å lage røntgenmikrotomografibilder.  

Under transporten må isen holdes ved riktig temperatur for å bevare strukturen. Det er i seg selv en utfordring. Batteridrevne frysebokser fungerer i felt, men det er ikke lov å ta disse med i ett fly. Derfor brukes spesielle fryseelementer som holder temperaturen lav. På Svalbard, hvor lufttemperaturen ofte er kaldere enn havisen, har forskerne motsatt problem.

– Klart at vi ikke vil at isen smelter. Men vi vil heller ikke at isen skal bli for kald, sier Maus. – I felt har vi spesielle isolerte bokser som vi kan varme opp til riktig temperatur mens vi kjører snøscooterne fra Svea til Longyearbyen.

Saken fortsetter under filmen.

Fem til syv prosent av verdenshavet

Forskerne bruker røntgenmikrotomografi for å lage bilder som viser forskjellige tverrsnitt av isen. Den grå fargen er is, den hvite er luft og den mørke fargen er saltlake.

De to forskerne perfeksjonerer fremdeles bildebehandlingsteknikkene og bygger datamodeller. Dette vil hjelpe dem til å beskrive strukturen av sjøis helt ned til de minste porene.

– Det neste trinnet er å bruke denne informasjonen til å forutsi hvordan oljen vil bevege seg i isen, sier Maus. – Ved alvorlige oljeutslipp i Arktis blir resultatene viktige for å minimere miljøskadene.

Men kunnskapene om havisens struktur har betydning langt utover oljeutslipp. Forskere forsøker å forstå klimaendringene, arktiske økosystemer og å utvikle en mer omfattende informasjonsbase for ingeniører som skal designe installasjoner som skal tåle forholdene i Arktis.

– Dette er et viktig skritt for å forstå porøs havis. Isen dekker i gjennomsnitt 5 til 7 prosent av verdenshavet, og den spiller en nøkkelrolle i å bestemme jordens klima og miljø i kalde områder, sier Maus.

Kilde:

Maus, Sönke; Becker, Jürgen; Leisinger, Sabine; Matzl, Margret; Schneebeli, Martin; Wiegmann, Andreas. (2015) Oil saturation of the sea ice pore space. Proceedings – International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. vol. 2015-January.