清华大学能动系孙超课题组合作揭示扩散排盐主导的海冰老化机制

海冰是全球气候系统的关键组成部分之一，对于海洋环流、海水温度、地表反照率等有关键的影响。随着冰龄的增长，海冰的孔隙度和含盐量明显减小，这直接影响着海冰的热力学性质和机械性质，从而影响海冰与其周围环境的相互作用。理解控制海冰老化动力学的物理机制具有重要的现实意义。

近期，清华大学能动系孙超教授课题组与合作者结合可控实验、精细理论建模和直接数值模拟，研究了海冰的长期演化行为，揭示了所研究的参数范围内由扩散排盐主导的海冰老化机制。

图1.盐水中新形成的多孔冰层逐渐老化为致密冰层

利用高度可控的冰水相变实验平台，研究团队在长达二十天的时间里研究了盐水结冰达到最终状态的完整过程。研究发现，在相对快速的生长过程之后，冰层继续缓慢地老化，其孔隙度不断降低（图1）。

图2.在处于热平衡的冰层中，系统温差导致盐度梯度，驱动盐分向冰外排出，最终导致冰层孔隙度下降

理论建模揭示了冰层的老化机制。冰层在老化过程中处于热平衡之中，体系中的温差导致的冰层内部的盐度梯度，从而导致冰层内部盐分的向外输运。随着冰层的不断排盐，其内部的孔隙进一步冻结（图2）。进一步地，直接数值模拟的结果表明，系统的最终状态与纯液体冻结时的情况一致，冰层成为致密的纯冰，盐分被完全排入未冻结的体相盐水中（图3）。

图3.系统的最终状态与纯液体的冻结结果一致

研究拓展了对于溶液体系中复杂流动、传热传质与固液相变的耦合物理机制的理解，也为通过实验室研究进一步探索海冰老化涉及的其他复杂过程提供了范例。通过实验室研究与实地观测的结合，可以为优化海冰建模，提高气候模型预测能力提供新的参考。

研究成果以“扩散排盐主导的海冰老化机制”（Sea ice aging by diffusion-driven desalination）为题，于9月5日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。该成果入选了“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）和“物理学期刊专题报道”（Featured in Physics），得到了美国物理学会（APS）旗下的物理杂志《物理期刊》（Physics Magazine）的特别报道。

清华大学能动系2022级博士生杜易鸿为论文第一作者，能动系助理研究员王峰为论文通讯作者，论文合作者包括清华大学能动系教授、新基石研究员孙超和法国里尔大学助理教授恩里科·卡尔扎瓦里尼（Enrico Calzavarini）。

研究得到国家自然科学基金卓越研究群体项目“非线性力学的多尺度问题研究”和青年科学基金、腾讯新基石研究员项目和科学探索奖、博士后科学基金特别资助和面上项目等的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/mct1-6hbw

供稿：能动系

编辑：李华山

审核：郭玲