盐分流失决定海冰结构

北极海冰通过反射太阳光线，在调节地球气候方面发挥着重要作用。然而，如今的气候模型对海冰减少的预测差异很大。研究人员现已捕捉到一个此前模型中缺失的物理过程：海冰的物质结构如何随时间演变。他们的实验室实验表明，年轻海冰排出的盐分，会随着时间降低其孔隙率，这反过来又影响流体流动、热传递以及其他影响海冰融化的过程。

全球气候模型的预测能力，取决于其对可能影响更大尺度大气和海洋的小尺度过程的准确呈现。海冰变化就是这样一种小尺度输入。漂浮的冰块反射阳光，使海洋吸收的太阳能量减少。但在恶性循环中，融化的冰暴露出更多海洋，进而吸收更多热量，导致更多融化。融化速度取决于包括盐度和孔隙率在内的多个因素。但气候模型缺乏对这些过程如何相互关联的机制性描述。中国清华大学的王峰表示：“这就是为什么详细了解冰与盐水流动的相互作用如此重要。”

已知海冰在冻结时会失去盐分，导致密度更大、盐度更高的水占据年轻冰层中的小孔（或孔隙），这一过程称为排盐。实验室研究已探索了排盐对冰结构和孔隙形成的影响，但这些早期实验通常持续不到一周。王峰及其同事设计了一个持续近一个月的实验，并专注于盐度变化。王峰说：“这一前所未有的时长，使我们能够解析控制冰孔隙率缓慢演变的盐分扩散时间尺度。”

研究人员从一个24×12×6立方厘米的矩形水箱开始，水箱中充满盐度接近海水的盐溶液。水箱设有热控侧壁：左侧壁保持在冰点以下的温度，而右侧壁保持在恒定的冰点以上温度。这种配置立即建立了一个对流电流，将温暖的流体输送到冷壁，在那里形成冰层。摄像头和盐度探头持续监测冻结过程。

通过关联冰形态、盐度和孔隙率的同步测量，研究人员重建了冰层的完整生命周期。在相对快速的结冰阶段（在前三天发生）之后，王峰及其同事预计系统会稳定下来 “就那样保持”。但在接下来的两周里，团队观察到冰层形状发生变化，同时平均厚度保持不变。随着周围液体盐度增加，冰也明显变得更透明 —— 孔隙更少，这使研究人员怀疑冰的演变取决于脱盐。

为了更好地理解这种演变，研究人员首先对冰内单个充满盐水的孔隙的运动进行建模。由于冰内存在温度梯度，孔隙一侧比另一侧更冷。盐水在较冷的一侧冻结，增加了冻结前沿附近的盐度。然后盐向较热的一侧扩散，导致那里融化。这驱使孔隙缓慢向较热区域迁移，最终到达冰边缘，孔隙中的盐水被排入周围水中。研究人员称，通过扩散的孔隙迁移是海冰老化背后的主要机制。为了进一步研究冰的最终形态，团队进行了计算机模拟，结果表明水箱中的冰最终表现为一层致密的冰层，没有充满盐水的孔隙。

维也纳技术大学专门研究多相流体流动的物理学家迭戈·佩里苏蒂表示，这项工作 “填补了一个研究空白”，有助于理解盐度如何影响冰微观结构的长期演变。他对该模型的简单性及其 “相当准确地捕捉系统关键特征” 的能力印象深刻，这对大规模气候模型可能有用。佩里苏蒂说，孔隙较少的冰融化速度应该较慢，但现在说这些结果对海冰和气候预测可能有什么影响还为时过早。

王峰说，虽然海冰孔隙率可能在长时间尺度上下降，但自然环境还受到许多其他过程的影响。他补充说，未来的工作应专注于能够对多孔冰内部流动与下方对流流体之间的耦合动力学进行建模的数值模型。