極地海冰不斷變化。 它隨著季節的變化和氣候變遷的加速影響而膨脹、收縮、漂移、斷裂和重整。 冰川並不是海洋之上的一片均勻的冰凍水域，而是由冰、水以及困在冰中的小塊空氣和鹽水組成的複雜而動態的混合體。猶他州專門從事數學和氣候研究的研究人員開發了新的模型來更好地了解海冰，發現海冰並不像人們通常認為的那樣堅固。

一塊倒置的海冰板展示了鹽水通道，這些通道有利於液態鹽水的排出，並支持沿著界面的對流。 資料來源：Ken Golden，2007 年，南極。

由猶他大學數學家和氣候科學家領導的新研究正在產生新的模型，用於理解海冰系統中對全球氣候有深遠影響的兩個關鍵過程：熱量通過海冰的通量，熱量將海洋和大氣連結在一起；以及邊緣冰區（MIZ）的動態，邊緣冰區是北極海冰蓋的一個蛇形區域，將密集的冰群與開闊的海洋分隔開來。

大氣科學教授考特-斯特朗（Court Strong）表示，自衛星影像廣泛應用以來的40年中，邊緣冰區的寬度增加了40%，其北部邊緣向北遷移了1600公里。

斯特朗說：”在海冰群面積縮小的同時，它也向極地移動了。這些變化大多發生在秋季，也就是海冰達到季節性最小值的前後。”

這項研究將實驗室尺度上通常用於合金和二元溶液的相變模型應用於北冰洋尺度上的MIZ 動力學，發表在Scientific Reports上。 第二項研究發表在Proceedings of the Royal Society A上，以南極實地研究為基礎，建立了一個了解海冰導熱性的模型。 這期雜誌的封面是一張照片，揭示了南極海冰底部幾厘米處有規則間隔的鹽水通道。

近幾十年來，由於人類造成的全球暖化，覆蓋兩極地區的冰層急劇消退。 冰層的消失也推動了一個回饋循環，即更多的太陽能量被開闊的海洋吸收，而不是被冰層反射回太空。

猶他州數學教授埃琳娜-切爾卡耶夫（Elena Cherkaev）和海冰研究權威肯-戈登（Ken Golden）是這兩項研究的作者。 斯特朗領導的北極研究探討了海冰的宏觀結構，而由猶他州前博士後研究員諾亞-克萊茲曼領導的南極研究則深入研究了海冰的微觀層面。

海冰不是固體，而更像是一塊海綿，上面有一些充滿鹹水或鹽水夾雜物的小孔。 戈登說，當底下的海水與這些冰相互作用時，就會形成一股流動，讓熱量更快在冰中流動，就像攪拌一杯咖啡一樣。 南極研究的研究人員利用先進的數學工具計算了這種流動對熱量移動的促進作用。

熱傳導研究還發現，與年復一年凍結的冰相比，新冰允許更多的水流，從而實現了更大的熱量傳遞。 目前的氣候模型可能低估了通過海冰的熱量，因為它們沒有充分考慮到這種水流。 透過改進這些模型，科學家可以更好地預測海冰融化的速度以及對全球氣候的影響。

雖然這兩項研究中調查的冰的各個方面大相徑庭，但建立模型的數學原理是相同的，戈登說。

「冰不是一個連續體。 它是一堆浮冰。 這是一種複合材料，就像含有微小鹽水夾雜物的海冰一樣，但這是含有冰夾雜物的水，”戈登在描述北極邊緣冰區時說。 “在不同的背景和環境下，這基本上是相同的物理學和數學，即根據浮冰的幾何形狀和信息，找出大尺度上的有效熱特性，這類似於提供亞毫米尺度上鹽水夾雜物的詳細資料。

戈登喜歡說，北極發生的事情不會留在北極。 海冰區的變化肯定會在世界其他地方以破壞氣候模式的形式出現，因此了解海冰區的變化至關重要。 該區域被定義為海冰覆蓋率在15%到80%之間的海面部分。 海冰覆蓋率大於80% 的區域被視為海冰群，小於15% 的區域被視為開闊海洋的外緣。

斯特朗說：”MIZ是海冰邊緣的區域，海冰在這裡因海浪和融化而破碎成小塊。MIZ的變化非常重要，因為它們會影響海洋和大氣之間的熱量流動，以及北極地區從微生物到北極熊以及航行人類的生命行為。

從20 世紀70 年代末期開始，隨著高品質衛星數據的出現，科學界對MIZ 的興趣與日俱增，因為現在它的變化很容易被記錄下來。 史特朗就是那些想出如何利用從太空拍攝的影像來測量海洋斷層帶並記錄驚人變化的人之一。

斯特朗說：”在過去的幾十年裡，我們看到MIZ急劇擴大了40%。”

多年來，科學家一直將海冰視為所謂的”黏稠層”進行仔細研究。 當金屬合金從液態融化或凝固時，無論哪種方式，都會經過液態和固態共存的多孔或黏稠狀態。 鹽水的凍結過程與此類似，會形成一個帶有液態鹽水袋的冰體，在最靠近溫暖海洋的底部幾厘米處尤其多孔或粘稠，在粘稠層語言中，垂直通道被稱為”煙囪”。

斯特朗的研究小組測試了先前建立的”黏液層”物理模型是否適用於MIZ 的廣大區域。 研究結果表明，答案是肯定的，這有可能為不斷變化的北極地區打開一個全新的視角。

簡而言之，該研究提出了一種新的思維方式，將北極圈視為一個大尺度的相變區域，類似於冰融化成水的過程。 傳統上，人們認為融化是發生在小範圍內的事情，例如浮冰的邊緣。 但從北極地區的整體來看，MIZ 可以被視為堅實、緻密的冰群與開闊水域之間的一個廣闊過渡區。 這一觀點有助於解釋為什麼MIZ不僅僅是一個尖銳的邊界，而是一個冰水共存的”黏稠”區域。

“在氣候科學中，我們經常使用非常複雜的模型。 這可以帶來嫻熟的預測，但也會使我們難以理解系統中發生的物理現象，”斯特朗說：”我們的目標是建立一個盡可能簡單的模型，能夠捕捉到我們在MIZ中看到的變化，然後對該模型進行研究，以深入了解該系統是如何工作的，以及為什麼會發生變化。

這項研究的重點是了解MIZ 的季節週期。 下一步將應用該模型以更好地了解過去幾十年中觀察到的MIZ 趨勢的驅動因素。

DOI: 10.1038/s41598-024-70868-8

編譯自/ SciTechDaily