塩水が永久凍土の融解を促進する新メカニズムを解明(New Mechanism Revealed: How Saline Water Drives Permafrost Thawing)

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2025-04-17 北京大学(PKU)

北京大学エネルギー資源工学部・徐可研究チームは、多孔質媒体中の固液相転移に関する理論で重要な進展を報告した。実験により、塩分を含む水が永久凍土を溶かす際に2種類の融解モード(指状不安定性と滑らかな前線)が発生することが確認された。これらは、浸透性や深さ、密度差などによって左右され、特にDarcy数が融解速度に大きく関係することが分かった。従来理論では説明できないこの発見は、気候モデル、メタン漏出リスクの予測、汚染拡散の評価に貢献する。また、この知見はCO₂貯留、石油回収、マグマ進化、惑星探査における氷資源利用にも応用可能である。

<関連情報>

海水が重なった状態で融解する永久凍土 Permafrost thawing under overlaying salt water

Yumin Wang, Jin-Han Xie, Wei Yang, Xiaotian Li, […], and Ke Xu
Science Advances  Published:28 Mar 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adp2808

塩水が永久凍土の融解を促進する新メカニズムを解明(New Mechanism Revealed: How Saline Water Drives Permafrost Thawing)

Abstract

Thawing of permafrost substantially affects the local environment and global energy balance. When salt water overlays permafrost, Rayleigh-Darcy (R-D) instability emerges because of the density mismatch and regulates melting (thawing) dynamics. Contrary to expectations that a higher Rayleigh number (R) would amplify instability, our experiments revealed fingering and stable melting fronts at low and high R, respectively. We attribute the occurrence of the two melting patterns to the interplay between two competing flow structures: local circumfluence modulated by front perturbation and transversal chaotic mixing. We propose theories that rationalize the melting pattern transition and finger-scale evolution. In addition, the classic mass transport theory for R-D convection drastically underestimates the melting rate and misses key variable(s). The presence of fingering patterns and accelerated dynamics may have led to earlier penetration of the permafrost layer than previously anticipated. These findings have implications for understanding similar processes in magma migration, carbon sequestration, and subsurface energy recovery.

1702地球物理及び地球化学
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