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本研究针对浮冰融化动力学这一气候科学中的关键难题，通过结合实时追踪实验和理论建模，揭示了在静水环境中自由漂浮冰的融化过程、相变界面动力学及周围流体对流之间的耦合机制。研究人员开发并验证了一个能准确预测冰体融化速率和寿命的理论模型，发现冰体几何形状和对流状态是控制融化速率的关键因素。尤为重要的是，研究揭示冰体驱动产生的对流体积通量远超其融水通量，表明浮冰不仅是淡水来源，更是通过驱动宏观质量再分布影响水生生态系统的重要浮力源。该研究为改进气候模型中冰山和浮冰融化的机理参数化方案奠定了理论基础。
在全球变暖的背景下，极地冰盖加速消融，释放出大量的冰山和浮冰进入海洋。这些冰体的融化过程不仅贡献于海平面上升，更通过释放淡水和改变局部海洋环境，对全球气候系统产生深远影响。然而，一个看似简单的问题——“一块浮冰在水中能存在多久？”——却困扰了科学家多年。预测浮冰的寿命及其对周围环境的影响是一个极其复杂的科学挑战，因为它涉及到固体冰与液态水之间复杂的相互作用，包括运动学、相变和流体动力学等多个物理过程的紧密耦合。
以往的研究为了简化问题，通常将冰体的位置和姿态固定或严格约束，从而忽略了冰体自由漂浮时由融化过程自身诱导的自然对流与其运动之间的双向反馈。这种简化使得我们难以真正理解在自然状态下（如峡湾、冰川湖或密集分布的海冰区等相对平静的水域中）浮冰的真实融化行为。这些环境中，小型冰体（如“bergy bits”和“growlers”）虽然难以被遥感技术捕捉，却在全球冰量损失中扮演着不可忽视的角色，并且任何冰体在完全消失前都会经历这个小尺度阶段。因此，揭示自由漂浮冰的融化动力学对于改进气候模型和理解冰体对水生生态系统的影响至关重要。
为了攻克这一难题，研究人员在《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）上发表了一项创新性研究，他们设计了一套独特的实验系统，首次实现了对自由漂浮冰融化全过程的实时、拉格朗日式追踪观测。这项研究不仅细致刻画了冰体的复杂运动（如漂移、旋转和翻转），还同步解析了其表面的相变过程以及周围流体的对流结构，从而为建立基于第一性原理的融化模型提供了宝贵的实验数据。
研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，搭建了热分层可控的水箱实验系统，通过精密温控装置在底部和表面设定不同温度，模拟自然水体中的温度梯度。其次，开发了一套双相机实时拉格朗日追踪系统，通过顶置相机实时追踪冰体的水平运动，并动态调整侧置相机的拍摄位置，确保始终能清晰捕捉冰-水界面及其周围流场，即使冰体近乎完全融化时也不例外。第三，在流体中掺入包裹热变色液晶（TLC）的示踪粒子，结合粒子图像测速（PIV）技术，实现了对流速和温度场的同步定性（通过颜色）和定量测量。此外，还采用了简化版的准二维水箱进行参数化实验，以验证理论模型在不同水深和盐度条件下的适用性。实验所用冰球均通过单向缓慢冷冻制备，以排除气泡对融化过程的干扰。
结果
揭示自由漂浮冰的融化动力学
研究首先观察了一个初始直径D0= 25.4 mm的冰球在热分层静水中的融化过程。实验显示，冰球在融化过程中会表现出复杂的运动学特征，包括自驱动的平移和旋转，形成缠绕的轨迹。偶尔会发生“翻转”事件，导致冰的姿态发生突然改变。整个过程中，冰球下方持续产生向下的流动，这股流动穿透背景的稳定分层，并驱动一个大尺度的环流，将表层较暖的水输送到冰体表面为其提供融化所需的热量。冰体的体积随时间逐渐减小，但其整体的动力学行为保持相对一致。
控制参数
为了表征这一瞬态多相动力学过程，研究引入了随时间变化的特征长度尺度（冰的等效直径D）和瑞利数（Ra）。瑞利数表征了浮力与热扩散、粘性扩散之间的比率，是控制对流强度的关键无量纲数。考虑到冷水独特的温度-密度关系（即密度在3.98°C时最大），研究精确定义了用于表征流动强度的特征密度差Δρ和用于表征冰水之间热交换的特征温差ΔT。此外，还定义了普朗特数（Pr）和斯蒂芬数（St），后者代表了显热与潜热的比值。
浮冰的融化
通过对不同初始瑞利数（Ra0）条件下冰体积随时间演化的测量，研究发现所有实验都呈现出相似的规律：早期融化迅速，随后逐渐减缓。基于能量和质量守恒定律，结合对流斯忒藩（Stefan）问题的理论框架，研究建立了一个理论模型。该模型将冰体积的缩减速率与冰表面积和表面平均努塞尔数（Nu）联系起来，其中Nu-Ra的标度关系借鉴了受热（冷却）球体自然对流的研究成果。在假设冰体始终保持球形的前提下，理论模型成功预测了冰体积随时间的变化（V(t) ∝ (1 - t/tf)3/(2-3γ)，其中γ为Nu-Ra标度指数）以及冰的寿命tf。模型预测与实验观测结果高度吻合，验证了其可靠性。
浮冰对周围环境的影响
研究进一步量化了由冰体融化驱动的对流体积通量Qc，并将其与融水通量Qw(= dV/dt) 进行了比较。结果发现，在所有实验条件下，Qc都远超 Qw，达到一到两个数量级。这一发现凸显了浮冰对其周围水生环境的深远影响：它不仅仅是一个“冷淡水排放器”，更是一个高效的“不稳定浮力源”，能够带动比其自身融水量多上百倍的环境水体运动，从而具有大规模重新分配水体、影响水生生态系统的潜力。
讨论
不同情景下的冰融化
研究还将理论模型与先前发表的关于固定冰球在等温静水中融化的实验数据进行了对比，结果表明该模型在 colder water（Tm< Teq）条件下依然具有较好的预测能力。通过改变水箱水深H的实验，研究发现当H/D0≥ 2时，几何限制对融化速率影响不大，理论模型依然适用。然而，在盐水中进行的实验表明，由于融水在冰表面形成一层薄薄的“冷淡水屏蔽层”，且盐分的扩散远慢于热扩散，这层屏蔽层会减少冰与周围盐水之间的热交换，导致冰的寿命比在淡水中更长。尽管存在这种屏蔽效应，冰体冷却并加重周围盐水所驱动的对流仍然占主导地位，宏观流动结构与淡水情形相似，但向下流动是由冷却的盐水（负浮力）驱动的。
总结与意义
该研究提出的理论模型能够较好地预测静水淡水系统中冰的融化。通过结合温度依赖的密度异常定义以及分流动状态（层流和湍流）的传热标度律，研究对从厘米级到百米级的不同尺寸冰体的寿命进行了预测。研究还指出，冰体的几何形状（通过体积与表面积的关系指数p来表征）是影响融化速率的关键因素，并给出了适用于不同几何形状和流动状态的通用理论框架。此外，研究强调了浮冰在驱动物质输运方面的非凡能力，这对水生生态系统（如营养盐输运、水体层结调整）具有重要影响。这些发现为发展气候和地球系统模型中关于冰山和浮冰演化的机理参数化方案奠定了坚实的基础，对于更准确地理解和预测极地冰盖消融对全球气候的反馈至关重要。
综上所述，这项研究通过创新的实验技术和严谨的理论分析，首次全面揭示了自由漂浮冰在静水环境中的融化动力学，不仅回答了一个基础的科学问题，也为理解和预测冰体在真实环境中的行为及其气候效应提供了关键的机理模型和新的视角。
