清華新聞網(wǎng)10月8日電 冰的多時空尺度演化過程在全球氣候變化中扮演著關鍵角色，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程通常伴隨著周圍水體的復雜流動（圖1a,b），進而產(chǎn)生了豐富的多尺度冰水相變動力學行為。深刻理解水體流動和冰水相變的耦合動力學是時下亟待解決的關鍵科學問題。
近期，清華大學能源與動力工程系孫超教授課題組與合作團隊系統(tǒng)梳理了復雜流動條件下的典型冰水相變動力學，包括淡水體系的熱分層流動、咸水體系的雙擴散對流、多孔咸水冰內(nèi)部流動、沿冰體表面的剪切流動等典型流動結構。該工作從流體力學視角系統(tǒng)總結了復雜流動條件下水體凝固與冰體融化的多種典型物理機制，深入討論了流動對冰凍圈與水圈中的自然現(xiàn)象的影響，并對進一步探索相關問題的方向進行了展望。
圖1.（a）南極的一個小型潮水冰川（b）典型的冰與水體流動的相互作用（c）冰層附近淡水的熱分層流動（d）冰層附近咸水的雙擴散對流（e）多孔咸水冰內(nèi)部流動（f）沿冰層表面的剪切流動（g）繞有限尺寸冰體的剪切流動
在淡水體系中，水的密度反常特性會導致水體的分層流動，使得體系的相變動力學和冰水界面形貌呈現(xiàn)復雜的非線性和非單調(diào)特征（圖1c）。在咸水體系中，溫鹽雙擴散對流決定了水體中熱量、質量和動量的輸運，影響著冰層的融化速率以及冰水界面形貌（圖1d）。此外，咸水結冰時會形成多孔冰體，其內(nèi)部會發(fā)生浮力驅動的對流進而促進冰層生長，也會促進冰層內(nèi)部鹽分的排出和孔隙的進一步凍結（圖1e）。當冰體受到沿其表面的剪切流動影響時，浮力效應和剪切效應的協(xié)同作用決定了水體中的流動結構，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）。對于漂浮或浸沒在剪切流動中的有限尺寸冰體，與來流呈不同角度的冰面的融化速率不同；固定冰體的迎流側形貌與其附近邊界層流動相耦合，帶來冰水界面的自相似演化，而可自由運動的冰球則可以維持球型更長時間（圖1g）。
圖2.（a）夏季北極海冰表面的融池（b）融池內(nèi)部自然對流溫度場的直接數(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)的旋轉浮冰（f）透明冰和冰川冰的融化過程中融水羽流的比較
深入理解復雜流動和固液相變的耦合物理機制對于理解全球水循環(huán)、碳循環(huán)、生物多樣性變化、地質變化等地球物理過程，促進極地科考和開發(fā)等相關人類活動具有重要意義（圖2）。論文最后還指出了需要進一步探索的問題，包括冰體形貌的形成與影響，夾雜物和雜質的影響，冰體在不同流動條件下的運動特性和冰的機械特性，對熱輻射描述的改進，極端熱條件下的凝固和融化過程等。
該特邀展望性綜述論文（Perspective）以“水體流動和冰水相變的耦合動力學”（The physics of freezing and melting in the presence of flows）為題，于9月30日在線發(fā)表于《自然評論·物理學》（Nature Reviews Physics）雜志。
清華大學燃燒能源中心、能源與動力工程系和航天航空學院教授、新基石研究員孫超為論文的通訊作者，清華大學能源與動力工程系2022級博士生杜易鴻為論文的第一作者，論文合作者還包括法國里爾大學助理教授恩里科·卡爾扎瓦里尼（Enrico Calzavarini）。研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目“非線性力學的多尺度問題研究”、騰訊新基石研究員項目及科學探索獎等的支持。
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https://doi.org/10.1038/s42254-024-00766-5
供稿：能動系
編輯：李華山
審核：郭玲
