海冰盐度影响下冰水热力过程的试验研究

摘要

北极多年海冰的渡夏与冰脊形成的初始阶段均属于海冰升温的热力学过程.在卤水作用下,海冰在升温过程中需要融化内部的固态冰以达到温盐平衡.为研究海冰升温过程中盐度对宏观热力学性质的影响,本文设计了冰块试样在水中的一维浸没试验.将具有相同初始温度(-32℃)、不同盐度(0 ppt,2.65 ppt,12 ppt)的冰试样浸至0.2℃的淡水环境中,并测试试样内部温度场与厚度变化.试验结果表明,高盐度海冰的最终冰厚增加量超过31％,而淡水冰则仅为15％.海冰内部卤水的活跃改变了海冰的宏观比热并大幅度提高了其潜在的内能变化量.同时,将内能变化的实测结果与Schwerdfeger模型理论计算结果进行了对比.分析得出,真实环境中在海冰卤水迁移引起的盐度不均匀分布与卤水外排使得Schwerdfeger模型无法准确描述海冰升温过程中热力学性质.此外,通过对新生冰进行冰晶测试中所观测的柱状结构及晶粒尺寸特征也进一步验证了试验结果的可靠性.