CRREL surgió de la consolidación de tres organizaciones anteriores cuyo propósito era comprender el suelo congelado, el permafrost, la nieve y el hielo como factores importantes en áreas estratégicas del norte durante la Guerra Fría . En sus primeros 25 años, los investigadores de CRREL contribuyeron a la comprensión de los casquetes polares, el permafrost y la tecnología de ingeniería para el desarrollo de recursos naturales en climas fríos, como Alaska. Más recientemente, los investigadores de CRREL han realizado contribuciones a la ciencia en el cambio climático, la comprensión de la propagación de las olas para sistemas de sensores, el control de la nieve en las estructuras y el hielo en las vías navegables y la remediación ambiental de las instalaciones militares.
Áreas de misión
La misión declarada del CRREL es "resolver problemas interdisciplinarios y estratégicamente importantes del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU., el Ejército, el Departamento de Defensa y la Nación mediante el avance y la aplicación de la ciencia y la ingeniería a entornos, materiales y procesos complejos en todas las estaciones y climas, con competencias básicas únicas relacionadas con las regiones frías de la Tierra". [2]
Toma de muestras de sedimentos de lodo en busca de contaminantes que estaban causando la muerte de aves acuáticas en Eagle River Flats, cerca de Anchorage, Alaska .
Las áreas técnicas en las que supuestamente participa el personal del CRREL son: [3]
Procesos biogeoquímicos en suelos – Abarca la gestión y remediación de tierras de entrenamiento militar y caracteriza cómo los microorganismos sobreviven en suelos sujetos a congelamiento. [4]
El destino y el transporte de sustancias químicas en el medio ambiente : aborda la detección y el modelado de la distribución y el movimiento de contaminantes químicos en los suelos. Incluye temas relacionados con la degradación del permafrost . [6]
Hidrología e hidráulica : abarca los procesos relacionados con el hielo en ríos, esclusas y presas y sus efectos sobre los barcos. Para respaldar esta labor se utiliza la base de datos de atascos de hielo del CRREL. [7] También aborda la hidrología de la nieve mediante la caracterización de la distribución y las tasas de escorrentía de la nieve, utilizando diversas técnicas de investigación. [8]
Simulación de terreno, que representa la probabilidad de detectar helicópteros desde el centro de la cuadrícula.
Apoyo a la maniobrabilidad militar y a las operaciones aéreas : aborda la movilidad de los vehículos sobre terrenos expuestos a la nieve, el hielo, la congelación y el deshielo. Incluye la operación de aeronaves en sitios de aterrizaje mínimos y mejorados. El trabajo relacionado aborda las operaciones en la Antártida, apoyando el transporte sobre hielo y las pistas de aterrizaje para nieve y hielo. [9]
Propagación de señales a sensores y sistemas de imágenes : comprende el uso de radares de penetración terrestre, radares, sensores sísmicos y sensores acústicos para desarrollar métodos de modelado de la propagación de señales sísmicas, acústicas y de ondas milimétricas a través de diversos medios. Esta investigación se aplica a la detección de municiones sin detonar y objetivos militares. [10]
Procesos terrestres y meteorológicos en regiones frías – Aborda el estado del terreno natural y artificial para modelar sus características físicas. Abarca la ciencia del hielo marino y los glaciares hasta los procesos a microescala que representan la formación de nieve y cristales de hielo. Los problemas científicos incluyen el cambio climático global y la influencia del clima en la aviación y el transporte. [11]
Evaluación de surfactantes para controlar el petróleo en agua infestada de hielo dentro de la cuenca de prueba refrigerada de la Instalación de Ingeniería de Hielo .Túnel de permafrost de CREEL, 1987
Cámaras frigoríficas para experimentación con materiales congelados
Un Centro de Investigación sobre los Efectos de las Heladas (FERF), dedicado al estudio de sistemas de suelo a gran escala, como los pavimentos.
Una Instalación de Ingeniería de Hielo (IEF), que se dedica al estudio de los efectos del hielo en vías navegables, problemas hidrológicos e hidráulicos, inundaciones y otros asuntos que pueden resultar de la formación de hielo.
Una instalación de teledetección y sistema de información geográfica (RS/GIS)
Instalaciones para probar recubrimientos expuestos a entornos de hielo y sal en Fairbanks y Treat Island, Maine. [14]
Otros laboratorios cubren temas de química, biología e ingeniería civil. [15]
CRREL mantiene una oficina en Fort Wainwright , cerca de Fairbanks, Alaska, y una oficina en el Distrito de Alaska del Cuerpo de Ingenieros del Ejército en Anchorage, Alaska . [13]
Historia
El CRREL se formó el 1 de febrero de 1961 a partir de la fusión del anterior Snow, Ice and Permafrost Research Establishment (SIPRE) [16] con el Arctic Construction and Frost Effects Laboratory (ACFEL).
Antecedentes y fundación
Cámara frigorífica para el estudio de la nieve y el hielo en el SIPRE
Los antecedentes y el establecimiento del CRREL quedaron registrados en una historia oficial. [17] Entre 1944 y 1953, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. estableció tres organizaciones independientes que fueron los antecedentes del CRREL. Dentro de su División de Nueva Inglaterra, el Cuerpo de Ingenieros fundó el Laboratorio de Efectos de las Heladas para "coordinar la investigación sobre los efectos de las heladas en el diseño y la construcción de carreteras, aeródromos y estructuras en áreas afectadas por las heladas", con sede en Boston, Massachusetts , en 1944. El Distrito de St. Paul (Minnesota) del Cuerpo de Ingenieros estableció su División de Permafrost en 1944 para determinar los métodos de diseño y los procedimientos de construcción para la construcción de aeródromos en permafrost .
El Cuerpo estableció el SIPRE (el Centro de Investigación de Nieve, Hielo y Permafrost) en 1949, que se trasladó a Wilmette, Illinois , en 1951. Su propósito era "realizar investigación básica y aplicada en nieve, hielo y suelo congelado". En 1953, el Cuerpo fusionó el Laboratorio de Efectos de Escarcha y la División de Permafrost del Distrito de St. Paul para establecer el ACFEL (el Laboratorio de Construcción y Efectos de Escarcha del Ártico) en Boston. En 1959, los investigadores del SIPRE participaron en el establecimiento del Campamento Century en Groenlandia para estudiar cuestiones técnicas y científicas con una instalación basada en el manto glaciar de Groenlandia . Tras construir una nueva instalación para las organizaciones combinadas SIPRE y AFCEL, el Cuerpo estableció el CRREL el 1 de febrero de 1961 en Hanover, New Hampshire.
1961-1986
Taladro térmico utilizado para perforar la capa de hielo de Groenlandia en Camp Century
Durante su primer cuarto de siglo, los investigadores y el personal del CRREL estuvieron activos en el Ártico , la Antártida , Alaska y los Grandes Lagos , proporcionando datos históricos climáticos, abordando cuestiones de extracción de recursos y ampliando la navegación invernal.
Perforación a través de los casquetes polares
En 1966, los investigadores del CRREL perforaron con éxito la capa de hielo de Groenlandia hasta una profundidad de 1390 m (4550 pies). El esfuerzo llevó tres años, pero proporcionó un núcleo de hielo continuo que representaba más de 120 000 años. Esto amplió la capacidad de los científicos para interpretar la historia climática y se convirtió en una fuente temprana de información sobre el cambio climático global . En 1968, el mismo equipo del CRREL fue el primero en penetrar la capa de hielo de la Antártida, después de perforar más de 2200 m (7100 pies) de hielo, proporcionando un registro climático en una segunda ubicación en el globo. [17] [18]
Facilitación del desarrollo petrolero en la vertiente norte de Alaska
El descubrimiento de petróleo en 1967 al norte de la cordillera Brooks de Alaska planteó dos preguntas básicas que CRREL estaba en condiciones de responder como consultor de las compañías petroleras participantes: cómo extraer petróleo del terreno congelado, el permafrost , o de debajo del perennemente congelado mar de Beaufort , y cuál es la mejor manera de transportar el petróleo crudo a los Estados Unidos continentales para su refinación y consumo.
Los miembros del personal de CRREL participaron en la exploración de dos opciones de transporte, el uso de un petrolero rompehielos y el uso de un oleoducto terrestre que cruzaría gran parte de Alaska sobre regiones de permafrost. En cuanto al mar de Beaufort, los investigadores de CRREL realizaron estudios de las propiedades y el comportamiento del hielo marino ártico , que presentaría un problema para las operaciones de perforación en alta mar. [19] Los investigadores de CRREL fueron participantes activos en ambos viajes del petrolero rompehielos SS Manhattan para evaluar la viabilidad de la opción de transporte marítimo. Al mismo tiempo, los ingenieros de CRREL revisaron y asesoraron al inspector federal del oleoducto Trans-Alaska . Durante la construcción del oleoducto, los investigadores de CRREL estudiaron las implicaciones de ingeniería de las cimentaciones y las carreteras sobre el permafrost y el hielo. [17] [20]
Navegación en agua dulce
En la década de 1970, el CRREL apoyó una iniciativa del Cuerpo de Ingenieros para extender la navegación a través de los Grandes Lagos y la vía marítima del San Lorenzo durante todo el invierno. Desarrollaron métodos para abordar la formación de hielo en las esclusas y la obstrucción de las vías navegables con hielo flotante, que incluían barreras de contención, burbujeadores y revestimientos de esclusas. [17] [21]
El CRREL desempeñó un papel importante en la asistencia a la Fuerza Aérea de los EE. UU. para establecer [22] y mantener un sistema de instalaciones de línea de alerta temprana distante (DEW) durante la era de la Guerra Fría . En 1976, un investigador del CRREL fue fundamental en el traslado de una instalación de línea DEW de 10 pisos de altura y 3300 toneladas en la capa de hielo de Groenlandia desde una base que se había visto comprometida por el movimiento del hielo sobre el que se construyó a una nueva base. [23]
En 1984, el personal del CRREL completó sus informes de inspección para 31 sitios del nuevo Sistema de Alerta del Norte que reemplazó a la línea DEW. [17] [24]
En 1972 se inició un intercambio científico continuo entre el CRREL y las instituciones de investigación de regiones frías soviéticas, entre las que se incluían el Instituto de Investigación del Ártico y la Antártida en Leningrado y el Instituto de Investigación del Permafrost en Yakutsk . [17]
1986-present
Los segundos 25 años del CRREL vieron la disolución de la Unión Soviética , el fin de la Guerra Fría y un cambio en la financiación que redujo el énfasis de las asignaciones directas del Congreso a una mayor dependencia del reembolso de la investigación por parte de los clientes del CRREL, como lo demuestra el patrocinio de sus informes técnicos. [25] Los clientes que financiaron la investigación del CRREL incluyeron varios componentes del Ejército, la Fuerza Aérea y la Marina de los EE. UU. Además, las agencias civiles recurrieron al CRREL para obtener respuestas de investigación, incluida la Fundación Nacional de Ciencias , la Agencia de Protección Ambiental y la NASA . Además, una variedad de organizaciones privadas financiaron la investigación del CRREL para resolver los problemas que enfrentaban. La lista de informes técnicos del CRREL enumera 27 categorías temáticas, que cubren la ciencia y la ingeniería. [26]
Investigación militar
Maniobras de vehículos del ejército en condiciones de deshielo
CRREL continuó aumentando su capacidad para servir al ejército de los EE. UU. con programas de propagación de señales que facilitarían la detección de movimientos enemigos a través de imágenes infrarrojas , radar , [27] acústica [28] o sensores sísmicos [29] en cualquier condición meteorológica. Sirvió a las necesidades ambientales del Ejército de los EE. UU. al facilitar la identificación y limpieza de contaminantes en terrenos de entrenamiento, debido principalmente a explosivos parcialmente detonados [30] o municiones sin explotar (UXO). [31] Otros investigadores abordaron problemas de movilidad con vehículos sobre nieve y terreno fangoso. Los investigadores de CRREL participaron en la definición de los requisitos de la pista táctica para el avión de transporte militar C-17 . [32]
El personal del CRREL siguió dejando su huella en la investigación polar, tanto en el Ártico como en la Antártida. En el Ártico, los investigadores del CRREL participaron activamente en la modelización de la navegación en la Ruta del Mar del Norte [33] y en el experimento del Presupuesto de Calor Superficial del Océano Ártico (SHEBA), realizado en el Océano Ártico desde octubre de 1997 hasta octubre de 1998 para proporcionar información polar a los modelos climáticos globales . [34] [35] Otros investigadores realizaron travesías de la Antártida y Groenlandia para recopilar datos pertinentes al cambio climático global . [36] En 2010, un investigador del CRREL fue codirector científico de otra misión científica basada en rompehielos , llamada "Impactos del cambio climático en los ecosistemas y la química del entorno del Pacífico Ártico" o ICESCAPE, para determinar "el impacto del cambio climático en la biogeoquímica y la ecología de los mares de Chukchi y Beaufort ". [37]
Otros investigadores del CRREL desarrollaron formas de mejorar y mantener las instalaciones de investigación de la Fundación Nacional de Ciencias de los EE. UU. en la Antártida, incluido el diseño y la construcción de una nueva estación del Polo Sur y el desarrollo de criterios para permitir que las aeronaves modernas aterricen en pistas de nieve. [38] El personal del CRREL exploró y ayudó a desarrollar una nueva ruta de suministro terrestre a través de la plataforma de hielo Ross sobre la cordillera antártica y la capa de hielo antártica para reducir el costo de suministro de la estación del Polo Sur. [39] [40] En 2016, los ingenieros civiles de investigación del CRREL diseñaron, construyeron y probaron una nueva pista de nieve para la estación McMurdo , llamada "Phoenix". Está diseñada para acomodar aproximadamente 60 salidas anuales de aeronaves de transporte pesadas con ruedas. [41]
En su misión de Obras Civiles del Cuerpo de Ingenieros, los investigadores del CRREL desarrollaron formas innovadoras para evitar los atascos de hielo y bases de datos para abordar la aparición generalizada de tales problemas. [42] Se construyó una importante instalación de ingeniería del hielo para apoyar el modelado de estos problemas. Se establecieron una instalación y una organización de teledetección y SIG (sistema de información geográfica) para utilizar mejor los recursos de imágenes satelitales y mapeo de información para abordar problemas en todo el mundo. [43] Otra instalación importante, la Instalación de Investigación de Efectos de Escarcha, se construyó para estudiar los problemas asociados con los aeródromos y las carreteras, sujetos a congelación y descongelación. Se adquirió una máquina de carga automatizada para simular el paso de neumáticos de vehículos y aeronaves sobre pavimentos. [44] En tecnología de la construcción, los investigadores ayudaron a desarrollar medios estadísticos para identificar cargas de nieve y hielo en todo Estados Unidos [45] y estándares para medir la pérdida de calor, [46] [47] detección de humedad en techos, [48] y cimientos poco profundos protegidos contra heladas. [49]
Reordenación
En octubre de 1999, el CRREL se convirtió en miembro de una organización paraguas de laboratorios del Cuerpo de Ingenieros, llamada Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros (ERDC). La consolidación de siete laboratorios, los Laboratorios Costero e Hidráulico, Ambiental, Geotécnico y de Estructuras, y de Tecnología de la Información en Vicksburg, Mississippi ; el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de la Construcción en Champaign, Illinois ; el CRREL en New Hampshire; y el Centro de Ingeniería Topográfica en Alexandria, Virginia , estableció el ERDC en cuatro sitios geográficos alrededor del país. [50]
Remediación de derrames de tricloroetileno
En un principio, las cámaras frigoríficas del CRREL utilizaban tricloroetileno (TCE) como refrigerante. En aquel momento, se conocían pocos peligros ambientales atribuibles al TCE. Posteriormente, se identificó al TCE como carcinógeno. En 1970, un accidente industrial provocó un derrame de aproximadamente 3.000 galones de TCE. En 1978, se introdujo TCE en el suelo a través de un pozo experimental. Tras el descubrimiento de TCE en las aguas subterráneas en 1990, el CRREL emprendió un plan de remediación, aprobado por el Departamento de Servicios Ambientales de New Hampshire (NHDES), con la ayuda de la Agencia de Materiales Tóxicos y Peligrosos del Ejército de los EE. UU. y la División de Nueva Inglaterra del Cuerpo de Ingenieros. El NHDES informa que el CRREL ya no almacena TCE en el lugar y que la remediación del TCE en las aguas subterráneas está sujeta a monitoreo en pozos de prueba. [51] Según un comunicado de prensa del Ejército citado en el periódico local, [52] el Ejército amplió el control de TCE en otros lugares del campus del CRREL y encontró algunas lecturas elevadas en 2011. A partir de entonces, iniciaron un programa de monitoreo de pozos y muestreo de suelos para mapear las concentraciones de la sustancia en el sitio. La información obtenida debería conducir a una nueva estrategia de limpieza para el sitio, según el informe de 2012. [53] Los especialistas ambientales del Ejército han detectado TCE en propiedades residenciales y escolares vecinas. [54] [55]
Premios
Investigación y desarrollo del ejército
El premio a la excelencia en investigación y desarrollo del ejército se otorga a investigadores destacados que trabajan en el sistema de laboratorio del ejército. Algunos de los galardonados más destacados del CRREL fueron: [17]
1967 – Lyle Hanson por la perforación de núcleos de hielo en Groenlandia y la Antártida. Wilford Weeks por su investigación sobre la formación y las propiedades físicas del hielo marino. [56]
1970 – Guenther Frankenstein por su trabajo en el SS Manhattan y su asistencia en la recuperación de un B-52 derribado . [56]
1971 – James Hicks por sus técnicas de dispersión de niebla para aeródromos. [56]
1976 – Pieter Hoekstra, Paul Sellmann, Steven Arcone y Allan Delaney por desarrollar técnicas de exploración geofísica del subsuelo relacionadas con el oleoducto Trans-Alaska. Malcolm Mellor por sus investigaciones sobre la excavación y voladura de nieve, hielo y suelo congelado, lo que permitió una rápida excavación de suelo congelado y el corte de hielo de las paredes de las esclusas, y la voladura controlada de un gran muro de hielo en la Antártida para proporcionar un muelle para el atraque de buques de suministro. [56]
1977 – Malcolm Mellor por desarrollar principios de ingeniería fundamentales para el diseño de máquinas excavadoras. [56]
1978 – Wayne Tobiasson por el traslado de una instalación de Línea de Alerta Temprana Distante (DEW) de 10 pisos de altura y 3.300 toneladas en la capa de hielo de Groenlandia, lo que supuso un ahorro estimado de 1,5 millones de dólares. [56]
1979 – Frederick Crory por su asesoramiento en la construcción del oleoducto Trans-Alaska, relacionado con las cimentaciones de pilotes en permafrost. [56]
1980 – Wilford Weeks por establecer una base científica para los problemas de ingeniería relacionados con el hielo flotante, especialmente el hielo marino. [56]
1982 – George Ashton por el estudio de los procesos térmicos del hielo en ríos y lagos, lo que permitió controlar la formación de hielo con burbujeadores de aire y descargas de agua caliente. [56]
1983 – Michael Ferrick por ayudar a la NASA a predecir la formación de hielo en los tanques de combustible superenfriados del transbordador espacial Columbia . Yoshisuke Nakano, Joseph Oliphant y Allan Tice por el uso de técnicas de resonancia magnética nuclear (RMN) para investigar el contenido y el transporte de agua en suelos congelados. David Deck por el diseño de una estructura de control de hielo en Frazil para mitigar las inundaciones recurrentes. [56]
1985 – Richard L. Berg, Edwin J. Chamberlain Jr., David M. Cole y Thaddeus C. Johnson por técnicas que permitieron el cálculo del flujo de calor y humedad durante la congelación y descongelación de los sistemas de pavimento. [56]
1986 – John H. Rand y Ben Hanamoto por desarrollar un sistema para controlar el hielo en las esclusas de navegación del Cuerpo de Ingenieros del Ejército. [56]
1987 – Michael G. Ferrick por desarrollar una teoría de hidráulica que describe la ruptura del hielo en los ríos. Thomas F. Jenkins Jr. y Daniel C. Leggett por un método analítico estándar que determina los niveles de explosivos residuales en las aguas residuales de la planta de municiones del ejército. Malcolm Mellor, Mark F. Wait, Darryl J. Calkins, Barry A. Coutermarsh y David A. L'Heureux por las técnicas para desplegar puentes de cinta en ríos con una capa de hielo. Steven A. Arcone, Paul V. Sellman y Allan J. Delaney por utilizar técnicas geofísicas para caracterizar las propiedades del subsuelo del permafrost. [56]
1988 – Edwin J. Chamberlain Jr., Iskander K. Iskander y C. James Martel por sus técnicas para procesar lodos de depuradora, material dragado y sedimentos, y para la descontaminación de sitios de desechos peligrosos, mediante congelación. George L. Blaisdell por su investigación sobre vehículos con ruedas que funcionan en la nieve. David S. Deck por utilizar agua de estanque de enfriamiento de una planta de generación de energía para prevenir la formación de atascos de hielo en los ríos. Frederick C. Gernhard y Charles J. Korhonen por un dispositivo que repara rápidamente las ampollas en las membranas de los techos. [56]
1989 – Rachel Jordon por un modelo analítico para predecir la temperatura de la superficie de una capa de nieve. [56]
1990 – Austin Kovacs y Rexford M. Morey por los sistemas de radar e inducción electromagnética que miden el espesor del hielo marino y del hielo de agua dulce y sus propiedades electromagnéticas, y por una comprensión de la tasa de calentamiento global. [56]
1991 – Edgar L. Andreas por contribuir a la comprensión de los efectos de la turbulencia del aire en la transmisión óptica. [56]
1995 – Daniel Lawson, Steven Arcone y Allan Delaney por sus técnicas de radar de penetración terrestre para caracterizar los desechos tóxicos y peligrosos del subsuelo. James Welsh y George Koenig por su capacidad pionera de generación de escenas infrarrojas térmicas sintéticas. [56]
1996 – Donald G. Albert por las teorías que describen la propagación acústica y sísmica en presencia de suelo congelado o nieve. [56]
1998 – Kathleen F. Jones por un nuevo mapa estándar nacional para el diseño de cargas de hielo en estructuras como líneas eléctricas y torres de comunicación. [56]
2001 – Robert E. Davis por promover teorías físicas asociadas con el modelado del estado del terreno, la hidrología y la teledetección. [56]
2004 – D. Keith Wilson por una teoría y un modelo de propagación del sonido que permite simulaciones realistas de los efectos acústicos atmosféricos, utilizando cuasi-ondículas que describen la turbulencia atmosférica. [56]
2005 – D. Keith Wilson (con Sandra L. Collier y David H. Martin) por la teoría y modelado de la propagación del sonido, utilizando la teoría del dominio del tiempo y métodos numéricos para la propagación del sonido en materiales porosos y fluidos turbulentos en movimiento, también por la incorporación de la dispersión mediante cálculos de turbulencia atmosférica de la propagación del sonido. [57]
2008 – Steven Arcone, Yeohoon Koh y Lanbo Liu por comprender la propagación de ondas de radio sobre el terreno, utilizando un método Doppler para medir la dispersión hacia adelante de las ondas de radio en ángulos casi rasantes. Antonio Palazzo y Timothy Cary por el desarrollo de nuevos germoplasmas para su uso en campos de entrenamiento militar. [58]
2009 – David Cole y Mark Hopkins (con John Peters) por integrar el conocimiento de materiales granulares a través del modelado de elementos discretos, tal como lo validaron los resultados experimentales. [59]
Premios de laboratorio del ejército
Como laboratorio, el CRREL recibió premios del Ejército por excelencia en 1975 y 1978. [17] En 1991 y 1994, el CRREL ganó el premio al Laboratorio del Ejército del Año por excelencia. [60] [61] En 1997, el laboratorio ganó el premio general al Laboratorio del Ejército del Año. [62] Después de unirse al ERDC en 1999, el CRREL ha contribuido constantemente a los logros que permitieron que el ERDC se convirtiera en un ganador frecuente del premio al Laboratorio de Investigación del Ejército del Año, cinco veces en sus primeros ocho años. [63]
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