清華新聞網(wǎng)9月8日電 海冰是全球氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，對(duì)于海洋環(huán)流、海水溫度、地表反照率等有關(guān)鍵的影響。隨著冰齡的增長(zhǎng)，海冰的孔隙度和含鹽量明顯減小，這直接影響著海冰的熱力學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，從而影響海冰與其周?chē)h(huán)境的相互作用。理解控制海冰老化動(dòng)力學(xué)的物理機(jī)制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
近期，清華大學(xué)能動(dòng)系孫超教授課題組與合作者結(jié)合可控實(shí)驗(yàn)、精細(xì)理論建模和直接數(shù)值模擬，研究了海冰的長(zhǎng)期演化行為，揭示了所研究的參數(shù)范圍內(nèi)由擴(kuò)散排鹽主導(dǎo)的海冰老化機(jī)制。
圖1.鹽水中新形成的多孔冰層逐漸老化為致密冰層
利用高度可控的冰水相變實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)達(dá)二十天的時(shí)間里研究了鹽水結(jié)冰達(dá)到最終狀態(tài)的完整過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)快速的生長(zhǎng)過(guò)程之后，冰層繼續(xù)緩慢地老化，其孔隙度不斷降低（圖1）。
圖2.在處于熱平衡的冰層中，系統(tǒng)溫差導(dǎo)致鹽度梯度，驅(qū)動(dòng)鹽分向冰外排出，最終導(dǎo)致冰層孔隙度下降
理論建模揭示了冰層的老化機(jī)制。冰層在老化過(guò)程中處于熱平衡之中，體系中的溫差導(dǎo)致的冰層內(nèi)部的鹽度梯度，從而導(dǎo)致冰層內(nèi)部鹽分的向外輸運(yùn)。隨著冰層的不斷排鹽，其內(nèi)部的孔隙進(jìn)一步凍結(jié)（圖2）。進(jìn)一步地，直接數(shù)值模擬的結(jié)果表明，系統(tǒng)的最終狀態(tài)與純液體凍結(jié)時(shí)的情況一致，冰層成為致密的純冰，鹽分被完全排入未凍結(jié)的體相鹽水中（圖3）。
圖3.系統(tǒng)的最終狀態(tài)與純液體的凍結(jié)結(jié)果一致
研究拓展了對(duì)于溶液體系中復(fù)雜流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)與固液相變的耦合物理機(jī)制的理解，也為通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)一步探索海冰老化涉及的其他復(fù)雜過(guò)程提供了范例。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)地觀(guān)測(cè)的結(jié)合，可以為優(yōu)化海冰建模，提高氣候模型預(yù)測(cè)能力提供新的參考。
研究成果以“擴(kuò)散排鹽主導(dǎo)的海冰老化機(jī)制”（Sea ice aging by diffusion-driven desalination）為題，于9月5日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。該成果入選了“編輯推薦”（Editors’ Suggestion）和“物理學(xué)期刊專(zhuān)題報(bào)道”（Featured in Physics），得到了美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）旗下的物理雜志《物理期刊》（Physics Magazine）的特別報(bào)道。
清華大學(xué)能動(dòng)系2022級(jí)博士生杜易鴻為論文第一作者，能動(dòng)系助理研究員王峰為論文通訊作者，論文合作者包括清華大學(xué)能動(dòng)系教授、新基石研究員孫超和法國(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)基金卓越研究群體項(xiàng)目“非線(xiàn)性力學(xué)的多尺度問(wèn)題研究”和青年科學(xué)基金、騰訊新基石研究員項(xiàng)目和科學(xué)探索獎(jiǎng)、博士后科學(xué)基金特別資助和面上項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/mct1-6hbw
供稿：能動(dòng)系
編輯：李華山
審核：郭玲
