极地海冰不断变化。 它随着季节的变化和气候变化的加速影响而膨胀、收缩、漂移、断裂和重整。 冰川并不是海洋之上的一片均匀的冰冻水域，而是由冰、水以及困在冰中的小块空气和盐水组成的复杂而动态的混合体。犹他州专门从事数学和气候研究的研究人员开发了新的模型来更好地了解海冰，发现海冰并不像人们通常认为的那样坚固。
一块倒置的海冰板展示了盐水通道，这些通道有利于液态盐水的排出，并支持沿界面的对流。 资料来源：Ken Golden，2007 年，南极洲。
由犹他大学数学家和气候科学家领导的新研究正在生成新的模型，用于理解海冰系统中对全球气候有深远影响的两个关键过程：热量通过海冰的通量，热量将海洋和大气联系在一起；以及边缘冰区（MIZ）的动态，边缘冰区是北极海冰盖的一个蛇形区域，将密集的冰群与开阔的海洋分隔开来。
大气科学教授考特-斯特朗（Court Strong）表示，自卫星图像广泛应用以来的40年中，边缘冰区的宽度增加了40%，其北部边缘向北迁移了1600公里。
斯特朗说："在海冰群面积缩小的同时，它也向极地移动了。这些变化大多发生在秋季，也就是海冰达到季节性最小值的前后。"
这项研究将实验室尺度上通常用于合金和二元溶液的相变模型应用于北冰洋尺度上的 MIZ 动力学，发表在Scientific Reports上。 第二项研究发表在Proceedings of the Royal Society A上，以南极实地研究为基础，建立了一个了解海冰导热性的模型。 这期杂志的封面是一张照片，揭示了南极海冰底部几厘米处有规则间隔的盐水通道。
近几十年来，由于人类造成的全球变暖，覆盖两极地区的冰层急剧消退。 冰层的消失也推动了一个反馈循环，即更多的太阳能量被开阔的海洋吸收，而不是被冰层反射回太空。
犹他州数学教授埃琳娜-切尔卡耶夫（Elena Cherkaev）和海冰研究权威肯-戈登（Ken Golden）是这两项研究的作者。 斯特朗领导的北极研究探讨了海冰的宏观结构，而由犹他州前博士后研究员诺亚-克莱兹曼领导的南极研究则深入研究了海冰的微观层面。
海冰并不是固体，而更像是一块海绵，上面有一些充满咸水或盐水夹杂物的小孔。 戈登说，当下面的海水与这些冰相互作用时，就会形成一股流动，让热量更快地在冰中流动，就像搅拌一杯咖啡一样。 南极研究的研究人员利用先进的数学工具计算出了这种流动对热量移动的促进作用。
热传导研究还发现，与年复一年冻结的冰相比，新冰允许更多的水流，从而实现了更大的热量传递。 目前的气候模型可能低估了通过海冰的热量，因为它们没有充分考虑到这种水流。 通过改进这些模型，科学家们可以更好地预测海冰融化的速度以及对全球气候的影响。
虽然这两项研究中调查的冰的各个方面大相径庭，但建立模型的数学原理是相同的，戈登说。
"冰不是一个连续体。 它是一堆浮冰。 这是一种复合材料，就像含有微小盐水夹杂物的海冰一样，但这是含有冰夹杂物的水，"戈登在描述北极边缘冰区时说。"在不同的背景和环境下，这基本上是相同的物理学和数学，即根据浮冰的几何形状和信息，找出大尺度上的有效热特性，这类似于提供亚毫米尺度上盐水夹杂物的详细信息。"
戈登喜欢说，北极发生的事情不会留在北极。 海冰区的变化肯定会在世界其他地方以破坏气候模式的形式出现，因此了解海冰区的变化至关重要。 该区域被定义为海冰覆盖率在 15%到 80%之间的海面部分。 海冰覆盖率大于 80% 的区域被视为海冰群，小于 15% 的区域被视为开阔海洋的外缘。
斯特朗说："MIZ是海冰边缘的区域，海冰在这里因海浪和融化而破碎成小块。MIZ的变化非常重要，因为它们会影响海洋和大气之间的热量流动，以及北极地区从微生物到北极熊以及航行人类的生命行为。"
从 20 世纪 70 年代末开始，随着高质量卫星数据的出现，科学界对 MIZ 的兴趣与日俱增，因为现在它的变化很容易被记录下来。 斯特朗就是那些想出如何利用从太空拍摄的图像来测量海洋断裂带并记录惊人变化的人之一。
斯特朗说："在过去的几十年里，我们看到MIZ急剧扩大了40%。"
多年来，科学家们一直将海冰视为所谓的"粘稠层"进行仔细研究。 当金属合金从液态融化或凝固时，无论哪种方式，都会经过液态和固态共存的多孔或粘稠状态。 盐水的冻结过程与此类似，会形成一个带有液态盐水袋的冰体，在最靠近温暖海洋的底部几厘米处尤其多孔或粘稠，在粘稠层语言中，垂直通道被称为"烟囱"。
斯特朗的研究小组测试了之前建立的"粘液层"物理模型是否适用于 MIZ 的广大区域。 研究结果表明，答案是肯定的，这有可能为不断变化的北极地区打开一个全新的视角。
简而言之，该研究提出了一种新的思维方式，将北极圈视为一个大尺度的相变区域，类似于冰融化成水的过程。 传统上，人们认为融化是发生在小范围内的事情，比如浮冰的边缘。 但从北极地区的整体来看，MIZ 可以被看作是坚实、致密的冰群与开阔水域之间的一个广阔过渡区。 这一观点有助于解释为什么MIZ不仅仅是一个尖锐的边界，而是一个冰水共存的"粘稠"区域。
"在气候科学中，我们经常使用非常复杂的模型。 这可以带来娴熟的预测，但也会使我们难以理解系统中发生的物理现象，"斯特朗说："我们的目标是建立一个尽可能简单的模型，能够捕捉到我们在MIZ中看到的变化，然后对该模型进行研究，以深入了解该系统是如何工作的，以及为什么会发生变化。"
这项研究的重点是了解 MIZ 的季节周期。 下一步将应用该模型更好地了解过去几十年中观察到的 MIZ 趋势的驱动因素。
DOI: 10.1038/s41598-024-70868-8
编译自/SciTechDaily