Νέα μελέτη λύνει το μυστήριο της συσσώρευσης αλατιού στον πυθμένα της Νεκράς Θάλασσας

στις

Η Νεκρά θάλασσα είναι τόσο αλμυρή που πάνω σε οτιδήποτε εκτίθεται ἠ βυθίζεται στα νερά της σχηματίζονται γρήγορα και εύκολα κρύσταλλοι αλατιού. Μηχανολόγοι μηχανικοί βοηθούν στην επίλυση ενός μυστηρίου πολλών δεκαετιών.

Αρχική δημοσίευση: American Geophysical Union
Σχετική δημοσίευση: UC Santa Barbara
Αναφορά: Halite Precipitation From Double‐Diffusive Salt Fingers in the Dead Sea:
Numerical Simulations / DOI:
10.1029/2019WR024818

Επιμέλεια-Μετάφραση: Πυθεύς

Νέα έρευνα εξηγεί την συσσώρευση κρυστάλλων αλατιού στα βαθύτερα τμήματα του πυθμένα της Νεκράς Θάλασσας —εύρημα που θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να καταλάβουν τον τρόπο με τον οποίο σχηματίστηκαν μεγάλα αποθέματα αλάτων στο γεωλογικό παρελθόν της Γης.

Η Νεκρά Θάλασσα, μια λίμνη που συνορεύει με την Ιορδανία, το Ισραήλ και τη Δυτική Όχθη, είναι σχεδόν 10 φορές πιο αλμυρή από τον ωκεανό. Οι άνθρωποι εδώ και χιλιάδες χρόνια επισκέπτονται τη Νεκρά Θάλασσα για να βιώσουν τις υποτιθέμενες θεραπευτικές της ιδιότητες και να επιπλεύσουν στα εξαιρετικά, μεγάλης πυκνότητας, πλωτά νερά της (μεγαλύτερη άνωση και πλευστότητα εξαιτίας του μεγαλύτερου ειδικού βάρους του νερού, το οποίο σημαίνει ότι μπορεί κάποιος να επιπλέει χωρίς ιδιαίτερη προσπάθεια) και να γνωρίσουν ένα μέρος για το οποίο υπάρχουν αναφορές από τους βιβλικούς χρόνους.

Ερευνητές περπατούν κατά μήκος της όχθης της Νεκράς Θάλασσας, ενός από τους αλμυρότερους υδάτινους φορείς στη Γη._Credit: Nadav Lensky/Geological Survey of Israe

Μεγάλο μέρος των απορροών γλυκού νερού που τροφοδοτεί τη Νεκρά Θάλασσα, τις τελευταίες δεκαετίες έχει εκτραπεί, μειώνοντας τη στάθμη της και καθιστώντας την αλμυρότερη από πριν. Οι επιστήμονες παρατήρησαν για πρώτη φορά το 1979, αφού είχε ξεκινήσει η διαδικασία αυτή, ότι κρύσταλλοι αλάτων κατακάθισαν από το ανώτερο στρώμα του νερού, «χιονίζοντας» τον πυθμένα όπου και συσσωρεύθηκαν. Το στρώμα αλάτων στον πάτο της λίμνης γίνεται περίπου 10 εκατοστά (4 ίντσες) παχύτερο κάθε χρόνο.

Η διαδικασία που προκαλεί αυτό το αλμυρό κρυστάλλινο «χιόνι» και η συσσώρευση στρωμάτων αλατιού στο βυθό της λίμνης έχει προβληματίσει τους επιστήμονες επειδή είναι ακατανόητο σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στα επιστημονικά πρακτικά Water Resources Research της Αμερικανικής Ένωσης Γεωφυσικών προτείνει ότι, μικροσκοπικές αναταραχές στη λίμνη, που προκαλούνται από κύματα ή άλλες κινήσεις, δημιουργούν «δακτύλους αλατιού» [salt fingers] οι οποίοι διοχετεύουν σταδιακά το αλάτι στον πυθμένα της.

Καταβύθιση αλίτη από διπλά-διαχυτικά δάκτυλα άλατος στη Νεκρά Θάλασσα: Αριθμητικές προσομοιώσεις

Περίληψη μελέτης

Χρησιμοποιούμε άμεσες αριθμητικές προσομοιώσεις για να αναλύσουμε το ρόλο των δακτύλων αλατιού διπλής διάχυσης στην κατακρήμνιση ιζημάτων από τις υπεραλατούχες λίμνες. Οδηγούμενοι από επιτόπιες παρατηρήσεις στη Νεκρά Θάλασσα, η οποία αντιπροσωπεύει τη μόνη σύγχρονη βαθιά διαστρωματωμένη λίμνη που κατακρημνίζει τον αλίτη υπό συνθήκες υδρολογικής κρίσης, εξετάζουμε ένα κορεσμένο στρώμα θερμού, αλμυρού νερού (επιλίμνιο) που επικαλύπτει ένα στρώμα ψυχρότερου, λιγότερο αλατούχου νερού (υπολίμνιο) το οποίο είναι επίσης κορεσμένο. Η αστάθεια της διπλής διάχυσης και επακόλουθης συναγωγής (Double-Diffusive Convection) που δημιουργείται στο μεταλίμνιο δημιουργεί ένα ασύμμετρο μοτίβο λιγότερο αλατούχων ανερχόμενων δακτύλων, συνοδευόμενο από κατερχόμενα δάκτυλα που χάνουν τη θερμότητα τους καθώς προωθούνται μέσα στο μεταλίμνιο. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι μια ισχυρή, καθοδική ροή αλατότητας που οδηγεί στον υποκορεσμό του επιλημνίου, ενώ το υπολίμνιο γίνεται υπερκορεσμένο και καθιζάνει τον αλίτη (halite). Αυτές οι διεπιφανειακές διεργασίες μέσα σε βαθιές υπεραλατούχες υδάτινες στήλες σε θερμές και ξηρές περιοχές υποδηλώνουν μια πιθανή πορεία προς τον σχηματισμό μεγάλου πάχους αλιτικών στρωμάτων που καταγράφονται στην ιστορία της γεωλογίας.

Φαινόμενο διπλής διάχυσης και επακόλουθης συναγωγής (Double-Diffusive Convection). Αναλυτικότερα, η ύπαρξη δύο παραγόντων που επηρεάζουν την πυκνότητα συστήματος υγρών σε συνδυασμό με την διαφορετική ταχύτητα μοριακής διάχυσης αυτών, δύναται να προκαλέσει ροές σε βαρυτικά ευσταθές σύστημα. Η αστάθεια αυτή εκδηλώνεται με δομές που ομοιάζουν με δάκτυλα τα αποκαλούμενα στην διεθνή βιβλιογραφία ως Salt Fingers ή Fingers.

Salt Fingers_wikimedia commons

«Αρχικά σχηματίζονται αυτά τα μικροσκοπικά δάχτυλα που είναι πολύ μικρά για να παρατηρηθούν … αλλά γρήγορα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους καθώς κινούνται προς τα κάτω και σχηματίζουν ολοένα και μεγαλύτερες δομές», δήλωσε ο Raphael Ouillon, μηχανολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στην Santa Barbara και επικεφαλής των συντακτών της νέας μελέτης.

«Τα αρχικά δάχτυλα μπορεί να είναι πάχους μόνο μερικών χιλιοστών ή δύο εκατοστών, αλλά βρίσκονται παντού σε όλη την επιφάνεια της λίμνης», δήλωσε ο Eckart Meiburg, επίσης μηχανολόγος μηχανικός στο UC Santa Barbara και μέλος της συγγραφικής ομάδας της νέας μελέτης. «Όλα μαζί αυτά τα μικρά δάχτυλα παράγουν μια τεράστια ποσότητα ρέοντος αλατιού.»

Κρύσταλλοι αλατιού σχηματισμένοι πάνω στα όργανα που βυθίστηκαν στα νερά της Νεκράς Θάλασσας_Credit: Nadav Lensky/Geological Survey of Israel

Το νέο εύρημα βοηθά την καλύτερη κατανόηση της φυσικής της Νεκράς Θάλασσας, αλλά και την ερμηνεία του σχηματισμού των ογκωδέστατων αποθέσεων άλατος που βρίσκονται μέσα στο φλοιό της Γης.

Η Νεκρά Θάλασσα είναι το μόνο υπεραλατούχο υδάτινο σώμα σήμερα στη Γη, όπου εκτυλίσσεται αυτή η διαδικασία των δακτύλων άλατος και κατά συνέπεια συνιστά για τους ερευνητές ένα μοναδικό εργαστήριο μελέτης των μηχανισμών με τους οποίους έχουν σχηματιστεί αυτές οι πυκνές αποθέσεις άλατος, σύμφωνα με τους συγγραφείς.

«Συνολικά, αυτό καθιστά τη Νεκρά Θάλασσα μοναδικό σύστημα,» δήλωσε ο Nadav Lensky, γεωλόγος στη Γεωλογική Επισκόπηση του Ισραήλ (GSI ) και μέλος της συγγραφικής ομάδας της νέας μελέτης. «Πρόκειται κατά βάση για νέο εύρημα που πιστεύουμε ότι είναι πολύ συναφές με την κατανόηση της διάταξης αυτών των λεκανών που ήταν τόσο συνηθισμένες στην ιστορία της Γης.»

Αλμυρό μυστήριο

Καθώς η Νεκρά Θάλασσα τις τελευταίες δεκαετίες έχει γίνει πιο αλμυρή, μεγάλο μέρος αυτού του αλατιού έχει συγκεντρωθεί κοντά στην επιφάνεια της. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, η επιπλέον θερμότητα από τον ήλιο ζεσταίνει την επιφάνεια της Νεκράς Θάλασσας και τη χωρίζει σε δύο διακριτά στρώματα: Ένα ζεστό ανώτερο στρώμα που επικάθεται σε ένα ψυχρότερο κάτω στρώμα. Καθώς το νερό εξατμίζεται από το ανώτερο στρώμα εξαιτίας της αυξημένης θερμοκρασίας, γίνεται πιο αλατούχο από το πιο κάτω ψυχρότερο επίπεδο.

Δορυφορικές εικόνες της Νεκράς Θάλασσας που λήφθηκαν το 1972 και το 2011, φανερώνουν πόσο μειώθηκε η στάθμη του νερού από τότε που το Ισραήλ και η Ιορδανία ξεκίνησαν την εκτροπή των απορροών γλυκού νερού που κατέληγε στη Νεκρά Θάλασσα_ Credit: NASA

Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι το χιόνι αλάτων που παρατηρούσαν, προερχόταν από αυτό το επιφανειακό αλμυρό στρώμα, όμως το ζεστό νερό του δεν αναμιγνύεται με το πιο δροσερό νερό από κάτω επειδή είναι κατά πολύ θερμότερο και λιγότερο πυκνό. Έτσι, τους προβλημάτισε ο τρόπος με τον οποίο το αλάτι της επιφάνειας εισχωρούσε στο ψυχρότερο στρώμα και σωρευόταν στο βυθό της λίμνης.

Ο Lensky και οι συνάδελφοί του πρότειναν μια εξήγηση το 2016 και η νέα έρευνα δοκιμάζει για πρώτη φορά αυτή τη θεωρία.

Προτείνουν λοιπόν ότι όταν το ανώτερο στρώμα της λίμνης διαταράσσεται από κύματα ή άλλη κίνηση, μικροσκοπικά διαμερίσματα ζεστού νερού εισέρχονται στην πιο δροσερή συγκέντρωση νερού από κάτω. Η θερμότητα διαχέεται πιό γρήγορα από το αλάτι, επομένως αυτό το μέρος ζεστού νερού ψύχεται γρήγορα. Αλλά καθώς κρυώνει συγκρατεί λιγότερο αλάτι κι έτσι το υπόλοιπο ιζηματοποιείται και σχηματίζει κρυστάλλους που βυθίζονται στον πυθμένα.

Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές δημιούργησαν μια προσομοίωση σε ηλεκτρονικό υπολογιστή για το πώς θα επέπλεαν νερό και αλάτι στη Νεκρά Θάλασσα, αν η θεωρία των δακτύλων άλατος ήταν ορθή. Διαπιστώθηκε ότι η θεωρία των δακτύλων αλατιού προέβλεπε σωστά την καθοδική ροή του αλατούχου χιονιού και τη συσσώρευση των αλάτων στη μέση του βυθού της λίμνης. Επειδή το επίπεδο της λίμνης ελαττώνεται, λόγω της άντλησης γλυκού νερού από τον γειτονικό ποταμό Ιορδάνη, τα στρώματα αλάτων συγκεντρώνονται στο κεντρικό τμήμα της λίμνης, σύμφωνα με τους συγγραφείς.

Κατανοώντας τη δημιουργία κοιτασμάτων σε άλλα μέρη

Το νέο εύρημα βοηθά επίσης την ερμηνεία του σχηματισμού τεράστιων κοιτασμάτων άλατος στο φλοιό της Γης.

«Γνωρίζουμε ότι σε πολλά μέρη του κόσμου υπάρχουν παχιά στρώματα αλατιού στο φλοιό της Γης και ότι αυτά τα κοιτάσματα μπορεί να φτάνουν σε πάχος μέχρι και το ένα χιλιόμετρο,» αναφέρει ο Meiburg. «Δεν είμαστε όμως σίγουροι για το πώς δημιουργήθηκαν αυτά τα κοιτάσματα στην ιστορία της γεωλογίας.»

Αξιοσημείωτο παράδειγμα είναι το παχύ στρώμα αλάτων στον πυθμένα της Μεσογείου Θάλασσας. Οι ερευνητές γνωρίζουν ότι πριν από έξι εκατομμύρια χρόνια, το Στενό του Γιβραλτάρ φράχθηκε εξαιτίας κινήσεων των τεκτονικών πλακών της Γης. Αυτό διέκοψε την παροχή νερού από τον Ατλαντικό Ωκεανό, δημιουργώντας μια γιγάντια αβαθή, εσωτερική θάλασσα.

Μετά από αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, ο υδάτινος ορίζοντας της Μεσογείου χαμήλωσε τόσο πολύ που η θάλασσα σχεδόν στέγνωσε, αφήνοντας στη θέση της παχιά κοιτάσματα αλατιού. Το νέο εύρημα υπαινίσσεται ότι η δημιουργία των κοιτασμάτων εκείνης της εποχής γίνεται με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που συμβαίνει σήμερα στη Νεκρά Θάλασσα. Όταν το Στενό του Γιβραλτάρ άνοιξε ξανά, το νερό πλημμύρισε τη λεκάνη της Μεσογείου και τα κοιτάσματα αλατιού θάφτηκαν κάτω από νέες ιζηματογενείς στρώσεις, όπου και παραμένουν μέχρι σήμερα.


New study solves mystery of salt builup on bottom of dead sea

New research explains why salt crystals are piling up on the deepest parts of the Dead Sea’s floor, a finding that could help scientists understand how large salt deposits formed in Earth’s geologic past.

The Dead Sea, a salt lake bordered by Jordan, Israel and the West Bank, is nearly 10 times as salty as the ocean. Humans have visited the Dead Sea for thousands of years to experience its purported healing properties and to float in its extremely dense, buoyant waters, and mention of the sea goes back to biblical times.

Much of the freshwater feeding the Dead Sea has been diverted in recent decades, lowering the sea’s water levels and making it saltier than before. Scientists first noticed in 1979, after this process had started, that salt crystals were precipitating out of the top layer of water, “snowing” down and piling up on the lakebed. The salt layer on the lake floor has been growing about 10 centimeters (4 inches) thicker every year.

The process driving this salt crystal “snow” and buildup of salt layers on the lakebed has puzzled scientists because it doesn’t make sense according to the laws of physics. Now, a new study in AGU’s journal Water Resources Research proposes that tiny disturbances in the lake, caused by waves or other motion, create “salt fingers” that slowly funnel salt down to the lakebed.

“Initially you form these tiny fingers that are too small to observe… but quickly they interact with each other as they move down, and form larger and larger structures,” said Raphael Ouillon, a mechanical engineer at the University of California Santa Barbara and lead author of the new study.

“The initial fingers might only be a few millimeters or a couple of centimeters thick, but they’re everywhere across the entire surface of the lake,” said Eckart Meiburg, also a mechanical engineer at UC Santa Barbara and co-author of the new study. “Together these small fingers generate a tremendous amount of salt flux.”

The new finding helps researchers better understand the physics of the Dead Sea but also helps explain the formation of massive salt deposits found within Earth’s crust.

The Dead Sea is only hypersaline water body on Earth today where this salt fingering process is happening, so it represents a unique laboratory for researchers to study the mechanisms by which these thick salt deposits have formed, according to the authors.

“Altogether this makes the Dead Sea a unique system,” said Nadav Lensky, a geologist with the Geological Survey of Israel and co-author of the new study. “Basically, we have here a new finding that we think is very relevant to the understanding of the arrangement of these basins that were so common in Earth’s history.”

A salty mystery

As the Dead Sea has become saltier in recent decades, much of that salt has become concentrated near its surface. During the summer, extra heat from the Sun warms the surface of the Dead Sea and divides it into two distinct layers: A warm top layer sitting atop a colder lower layer. As water evaporates from the top layer in the summer heat, it becomes saltier than the cooler layer below.

Researchers realized the salt snow they observed was originating in this top salty layer, but this warm water doesn’t mix with the cooler water below because it’s so much warmer and less dense. So they were puzzled as to how salt from the surface was entering the cooler layer and plummeting to the bottom of the lake.

Lensky and his colleagues proposed an explanation in 2016, and the new research tests this theory for the first time.

They propose that when the top layer of the lake is disturbed by waves or other motion, tiny parcels of warm water enter the cooler pool of water below. Heat diffuses more rapidly than salt, so this warm water parcel rapidly cools. But as it cools it holds less salt, so the salt precipitates out and forms crystals that sink to the bottom.

In the new study, researchers created a computer simulation of how water and salt would flow in the Dead Sea if the salt fingers theory was correct. They found the salt fingers theory correctly predicted the downward flow of salt snow and buildup of salt layers in the middle of the lake’s floor. Because the level of the lake is declining, due to pumping of freshwater from the nearby Jordan River, the salt layers are concentrated in the central part of the lake, according to the authors.

Understanding salt deposits elsewhere

The new finding also helps explain the formation of massive salt deposits found within Earth’s crust.

“We know that many places around the world have thick salt deposits in the Earth’s crust, and these deposits can be up to a kilometer thick,” Meiburg said. “But we’re uncertain how these salt deposits were generated throughout geological history.”

One notable example is the thick salt layer underneath the Mediterranean Sea. Researchers know that about six million years ago, the Strait of Gibraltar closed off, because of the movements of Earth’s tectonic plates. This cut off the supply of water from the Atlantic Ocean to the Mediterranean, creating a giant shallow inland sea.

After several hundred thousand years, the Mediterranean’s water levels dropped so much that the sea partly or nearly dried out, leaving behind thick deposits of salt. The new finding suggests these deposits formed during this time in a similar manner to what is happening right now in the Dead Sea. When the Strait of Gibraltar opened up again, water flooded the basin and the salt deposits were buried under new layers of sediment, where they remain today.


Εικόνα εξωφύλλου:

Aεροφωτογραφία της Νεκράς Θάλασσας που λήφθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. _Credit: NASA/Hubble