清華新聞網(wǎng)10月8日電 冰的多時(shí)空尺度演化過(guò)程在全球氣候變化中扮演著關(guān)鍵角色，影響著海平面、海洋環(huán)流、海洋表面溫度和陸地表面反照率等。自然環(huán)境中的水體凝固和冰體融化過(guò)程通常伴隨著周?chē)w的復(fù)雜流動(dòng)（圖1a,b），進(jìn)而產(chǎn)生了豐富的多尺度冰水相變動(dòng)力學(xué)行為。深刻理解水體流動(dòng)和冰水相變的耦合動(dòng)力學(xué)是時(shí)下亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
近期，清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系孫超教授課題組與合作團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理了復(fù)雜流動(dòng)條件下的典型冰水相變動(dòng)力學(xué)，包括淡水體系的熱分層流動(dòng)、咸水體系的雙擴(kuò)散對(duì)流、多孔咸水冰內(nèi)部流動(dòng)、沿冰體表面的剪切流動(dòng)等典型流動(dòng)結(jié)構(gòu)。該工作從流體力學(xué)視角系統(tǒng)總結(jié)了復(fù)雜流動(dòng)條件下水體凝固與冰體融化的多種典型物理機(jī)制，深入討論了流動(dòng)對(duì)冰凍圈與水圈中的自然現(xiàn)象的影響，并對(duì)進(jìn)一步探索相關(guān)問(wèn)題的方向進(jìn)行了展望。
圖1.（a）南極的一個(gè)小型潮水冰川（b）典型的冰與水體流動(dòng)的相互作用（c）冰層附近淡水的熱分層流動(dòng)（d）冰層附近咸水的雙擴(kuò)散對(duì)流（e）多孔咸水冰內(nèi)部流動(dòng)（f）沿冰層表面的剪切流動(dòng)（g）繞有限尺寸冰體的剪切流動(dòng)
在淡水體系中，水的密度反常特性會(huì)導(dǎo)致水體的分層流動(dòng)，使得體系的相變動(dòng)力學(xué)和冰水界面形貌呈現(xiàn)復(fù)雜的非線(xiàn)性和非單調(diào)特征（圖1c）。在咸水體系中，溫鹽雙擴(kuò)散對(duì)流決定了水體中熱量、質(zhì)量和動(dòng)量的輸運(yùn)，影響著冰層的融化速率以及冰水界面形貌（圖1d）。此外，咸水結(jié)冰時(shí)會(huì)形成多孔冰體，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流進(jìn)而促進(jìn)冰層生長(zhǎng)，也會(huì)促進(jìn)冰層內(nèi)部鹽分的排出和孔隙的進(jìn)一步凍結(jié)（圖1e）。當(dāng)冰體受到沿其表面的剪切流動(dòng)影響時(shí)，浮力效應(yīng)和剪切效應(yīng)的協(xié)同作用決定了水體中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而塑造出穹頂圖案、棱槽圖案、界面行波、“扇貝”圖案等豐富的連續(xù)冰層特征形貌（圖1f）。對(duì)于漂浮或浸沒(méi)在剪切流動(dòng)中的有限尺寸冰體，與來(lái)流呈不同角度的冰面的融化速率不同；固定冰體的迎流側(cè)形貌與其附近邊界層流動(dòng)相耦合，帶來(lái)冰水界面的自相似演化，而可自由運(yùn)動(dòng)的冰球則可以維持球型更長(zhǎng)時(shí)間（圖1g）。
圖2.（a）夏季北極海冰表面的融池（b）融池內(nèi)部自然對(duì)流溫度場(chǎng)的直接數(shù)值模擬（c）冰下融池與海洋界面上假底的形成與增厚（d）冰山水下的“扇貝”圖案（e）北冰洋西部邊緣冰區(qū)的旋轉(zhuǎn)浮冰（f）透明冰和冰川冰的融化過(guò)程中融水羽流的比較
深入理解復(fù)雜流動(dòng)和固液相變的耦合物理機(jī)制對(duì)于理解全球水循環(huán)、碳循環(huán)、生物多樣性變化、地質(zhì)變化等地球物理過(guò)程，促進(jìn)極地科考和開(kāi)發(fā)等相關(guān)人類(lèi)活動(dòng)具有重要意義（圖2）。論文最后還指出了需要進(jìn)一步探索的問(wèn)題，包括冰體形貌的形成與影響，夾雜物和雜質(zhì)的影響，冰體在不同流動(dòng)條件下的運(yùn)動(dòng)特性和冰的機(jī)械特性，對(duì)熱輻射描述的改進(jìn)，極端熱條件下的凝固和融化過(guò)程等。
該特邀展望性綜述論文（Perspective）以“水體流動(dòng)和冰水相變的耦合動(dòng)力學(xué)”（The physics of freezing and melting in the presence of flows）為題，于9月30日在線(xiàn)發(fā)表于《自然評(píng)論·物理學(xué)》（Nature Reviews Physics）雜志。
清華大學(xué)燃燒能源中心、能源與動(dòng)力工程系和航天航空學(xué)院教授、新基石研究員孫超為論文的通訊作者，清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系2022級(jí)博士生杜易鴻為論文的第一作者，論文合作者還包括法國(guó)里爾大學(xué)助理教授恩里科·卡爾扎瓦里尼（Enrico Calzavarini）。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目“非線(xiàn)性力學(xué)的多尺度問(wèn)題研究”、騰訊新基石研究員項(xiàng)目及科學(xué)探索獎(jiǎng)等的支持。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1038/s42254-024-00766-5
供稿：能動(dòng)系
編輯：李華山
審核：郭玲
