深入探讨极地海冰的奥秘

犹他大学的科学家最近进行的研究正在开发创新模型，专注于海冰框架内的两个主要过程，这些过程对全球气候有显著影响：通过海冰的热交换，它在热上连接了海洋和大气，以及边际冰区（MIZ）的动态，这是一个弯曲的北极海冰区域，分隔着稠密冰块和开放海洋。

根据大气科学教授Court Strong的说法，过去40年的卫星图像显示，MIZ的宽度扩大了40%，并向北移动了1600公里。

“与此同时，随着海冰包的减少，它已经更靠近北极。”Strong说，他是最近由犹他科学家发布的两项研究的合著者之一。“这些变化主要发生在秋季，当时海冰达到了季节性低点。”

一对研究，一个在北极，一个在南极

其中一项研究修改了一种通常用于合金和二元混合物的相变模型，以分析北极海洋尺度的MIZ动态，已发表于Scientific Reports。第二项研究出现在Proceedings of the Royal Society A上，基于南极的实地研究，创建了一个模型以理解海冰的热导率。期刊封面展示了南极海冰底层中规律间隔的盐水通道的图像。

因人为导致的全球变暖，两个极地地区在最近几十年中显著失去了冰。这一损失形成了一个反馈循环，使得更多的太阳能被开放大陆吸收，而不是被冰盖反射回太空。

犹他大学的数学教授Elena Cherkaev和著名的海冰研究学者Ken Golden参与了两项研究。Strong关注的北极研究探讨了海冰的更大结构，而由前犹他博士后研究员Noa Kraitzman主导的南极研究则深入到更细微的细节。

海冰的行为更像是充满微小孔洞并含有咸水的海绵，称为盐水夹杂物。根据Golden的说法，当冰下的海水与冰相互作用时，可能会产生一种流动，促进热量通过冰的传递，类似于搅拌咖啡。南极研究采用先进的数学技术量化这种增强热流的程度。

此外，热导率研究显示，新形成的冰与全年保持冻结的冰相比，促进了水流并增强热传导。当前的气候模型可能低估了通过海冰的热交换率，因为它们可能没有充分考虑这种水流。通过优化这些模型，科学家们可以改善对海冰融化速度及其对全球气候影响的预测。

尽管这些研究集中于冰的不同方面，但其基础的数学建模原理是相同的，Golden解释道。

“冰并不是一个连续的体。它由众多冰块组成。它是一个复合材料，就像具有微小盐水夹杂物的海冰一样，除了这里我们有冰和水。”Golden描述了MIZ。“物理学和数学基本上是相似的，仅仅应用在不同的上下文中，使我们能够根据几何形状和冰块的特征确定大规模的有效热属性，类似于在非常小尺度上关于盐水夹杂物的详细信息。”

Golden常常提到，北极发生的事情不会局限于北极。MIZ的变化正在影响全球的气候模式，强调了理解这一地区的重要性。MIZ被认定为海洋表面15%到80%被海冰覆盖的部分。覆盖超过80%的区域被归类为浮冰，而那些覆盖不到15%的区域则被视为开放水域的外缘。

一个令人震惊的上方视角

“MIZ是围绕海冰周边的区域，波浪和融化将冰块打破成更小的碎片，”Strong指出。“MIZ的变化至关重要，因为它影响着海洋与大气之间的热交换，影响着北极的野生动物，从微小的微生物到北极熊，以及人类活动。”

自从1970年代后期改进的卫星数据成为可用以来，围绕MIZ的科学兴趣激增，能够有效记录其变化。Strong在确定如何利用卫星图像来测量MIZ并观察令人担忧的变化方面发挥了重要作用。

“多年来，我们记录了MIZ宽度剧烈扩大40%。”Strong表示。

长期以来，科学家们将海冰视为“软层”。当金属合金熔化或固化时，它会经过一种多孔或软化的阶段，其中液体和固体形式共存。咸水的结冰是类似的，导致纯冰中带有液体盐水口袋，主要位于靠近更温暖海洋的底部几厘米，形成了通常被称为“烟囱”的垂直通道。

Strong的团队调查了传统的软层物理学是否适用于广泛的MIZ区域。研究结果表明，确实如此，可能为持续变化的北极区域提供了新视角。

本质上，这项研究为MIZ提供了新的视角，将其视为一个大规模的过渡区域，类似于冰融化成水的方式。传统上，融化被视为一种小尺度现象，例如在冰块边缘。然而，评估整体北极揭示MIZ作为固体、稠密的浮冰与开放水之间的广阔过渡区域。这种观点阐明了为什么MIZ不仅仅是一条尖锐的边界，而是一个冰和水同时存在的“软”区域。

“在气候科学中，我们常常依赖相当复杂的模型。虽然它们可以导致准确的预测，但也可能使我们对正在进行的物理过程的理解变得复杂。”Strong说。“我们的目标是开发一个尽可能简单的模型，以捕捉我们在MIZ中观察到的变化，并分析该模型，以深入理解其行为和不断演变的性质。”

这项研究集中在理解MIZ的季节波动，下一阶段将涉及应用该模型，以更深入理解近年MIZ的趋势。