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冰冻圈物理研究的新视野

发布时间:2020-04-20 10:14:08  |  来源:中国网·中国发展门户网  |  编辑:任贾文  |  责任编辑:王振红
关键词:冰冻圈,冰冻圈科学,气候,环境,气候系统,生态系统,可持续发展,生态

中国网/中国发展门户网讯    冰冻圈物理研究旨在探究冰冻圈各要素的物理性质、冰冻圈各要素形成与演化,以及冰冻圈与其他圈层相互作用等诸多过程中的物理机制,为冰冻圈科学研究的各个方面提供理论支撑;冰冻圈物理研究是冰冻圈科学基础研究的核心,贯穿于冰冻圈科学研究的各个方面。

冰冻圈要素种类较多,包括冰川(含冰盖)、冻土、积雪、河冰和湖冰、海冰、冰架、冰山、海底冻土,以及大气中的固态水等。这些冰冻圈要素因其物质组成、形成和发育条件、演化过程等存在差异,其物理性质和各种过程的物理机制有所不同。另外,过去长时期内冰冻圈各要素的研究都是相对独立发展,研究历史不尽相同,发展也不平衡。

随着冰冻圈科学体系的建立,不仅要系统性地从圈层整体出发开展冰冻圈物理研究,也要对各个冰冻圈要素的物理过程继续深入研究,研究内容十分广泛,不同研究内容的时空尺度和精细程度也有很大差异。因此,有必要根据学科发展的动态和国家重大需求,对冰冻圈物理研究的发展给予一些梳理和思考。

冰冻圈物理研究的发展

所有冰冻圈要素中的核心物质是冰,了解冰的各种物理性质是探究冰冻圈各要素物理过程的基本前提。因此,可从冰物理学和冰冻圈各要素物理学两方面简略概述冰冻圈物理研究的发展过程。

冰的基本物理性质

自古以来,人们对自然界广泛存在的冰和雪并不陌生,尽管冰的一些奇妙特性一直吸引着人们的兴趣,但对其基本物理性质的认识长期停留在肉眼观察和表观感知上。

近百年来,随着精密仪器和实验技术的迅猛发展,冰因其特性在许多领域的应用迅速增长,如冰冻圈科学、大气科学、地质和地球物理学、冰工程学、低温生物学等,冰的微观结构和物理性质的相关研究也得到了快速发展。20?世纪早期的实验观测明确了自然界中的冰为六方晶体物质,冰在某些方面的性质与其他晶体物质(如某些金属和矿物等)具有一定程度的相似性。20?世纪?40?年代后期,冶金学和材料力学等研究方法的引入,使得对冰的物理性质和力学特性的实验研究得以广泛开展。到?20?世纪?50?年代末,研究人员已明确了冰的基本力学特性,揭示出冰虽然作为固体具有刚体脆性,但在高温下(自然界的冰都较为接近熔点)尽管还有一定的弹性,其塑性特征却是最主要的,且主要变形属于蠕变范畴,可表述为幂函数蠕变规律。与此同时,对冰的其他物理性质的实验观测也大量开展,到?20?世纪?60—70?年代,研究人员对冰的各种物理性质已经有了大致了解,这奠定了冰物理性质的基本概念。

冰的物理性质受多种因素的影响,如温度、受力状况、杂质成分和含量,以及冰的结构(如组构特征、晶粒尺寸、密度、气泡等)等。如果是巨大冰体,这些影响因素往往在空间上不均一,在时间上也有变化;因而,对各种各样冰体物理性质的现场观测和实验研究一直在持续探索中。这使得冰的物理性质的基本概念不断完善,各种类型冰的实验观测数据也得以不断丰富。

冰冻圈主要要素物理特征研究

由于冰冻圈不同要素的主要物理过程不尽相同,对其物理特征的研究重点也有差异,但总体上主要以水-热和动力过程为主。

冰川物理特征研究。在冰川动力学方面。就冰川来说,冰体流动及其相关过程是最为核心的内容。因此,19?世纪以前就已有对冰体流动机理的探索。然而,由于对于冰的微观结构和流变特性的认识不是很清晰,关于冰川运动的机理长期处于各种假设和争论中。直到?20?世纪中期,冰的蠕变规律的大量实验结果涌现以后,研究人员才对冰川的流动机制有了一致的认识,建立了冰体在自重作用下的蠕变变形和当底部温度达到或接近熔点时的滑动运动的基本理论。由于冰的真实变形规律为幂函数,在冰川运动模拟中的数学处理非常困难,因此用理想塑性体或黏性流体近似描述冰体变形也比较普遍。在冰川热力学方面。冰川热力学研究也有较长历史,起初主要以温度场描述开展,后来则是伴随冰川动力学研究将其耦合到冰体动力学模拟研究中,冰川表面能量平衡和物质平衡也由统计经验模式向物理模式、由单点向分布式模式发展。

冻土物理特征研究。冻土物理特征的重点是土壤冻融过程中水-热输运的耦合机制和冻土力学特性。相比于冰川研究,冻土研究历史较短,尤其是冻土区工程相关问题研究于?20?世纪中后期才迅速发展起来。水-热耦合作用是冻土学研究的核心科知识题,主要因为水分迁移和相变对温度起着决定性影响,温度及其梯度又直接影响土壤水分迁移及相变。冻土力学既是冻土物理学的主要内容之一,又是冻土学的一个重要分支,因其是处理冻土工程问题的基础,一直受到格外重视。由于冻土的物质组成极为复杂多样,正冻土和正融土中的水-热过程也伴随着力学过程,从而引起土体的冻胀和融沉。因此,水-热-力三场耦合成为了冻土研究的本质问题。又因为土体中和水分中常含有盐分,盐分介入对水-热-力三场耦合作用机制具有极大影响,从而也影响着土体的冻胀和融沉,于是近年来水-热-力-盐四场耦合问题受到关注。冻土物理特征的研究更多依赖于实验室各种土体样品的观测和实验。

积雪物理特征研究。积雪物理特征研究常常与气象学和水文学联系在一起。因为积雪的存在改变了地表作为大气下垫面的特性,特别是雪面的高反照率对地表能量平衡有重要影响,而积雪融化又是地表水文过程的一个重要方面。积雪物理特征研究的重点是不同类型积雪变化过程中的各种物理特性定量描述、雪的粒雪化过程、在温度梯度作用下雪层内水汽迁移及再冻结、深霜及雪板的形成、雪的光学性质和积雪融化等。受监测手段制约,早期的研究以积雪的主要物理特性和变化特征的定性描述和分类居多,随着遥感应用及数值模拟的发展,积雪的能量和质量迁移模式不断优化。

海冰物理特征研究。海冰的物理特征研究历史也较短,可分为?2?个方面。大范围海冰(主要是北极海冰和南极海冰)的形成和演化过程的物理机制。重点描述海冰相关的物理参数分布,为建立海冰模式和预测其变化服务。其中,北极海冰研究历史相对较长,但也基本在百年以内,这方面研究中热力学内容占的比重较大,主要基于能量平衡和物质平衡来开展。较早研究因受实地监测资料限制,对某个参数的分散研究较多。20?世纪?90?年代初以来,随着遥感应用的发展,大范围多参数实时监测资料迅速丰富,对海冰各种物理参数和相关过程的系统研究快速发展。针对海冰工程问题的物理特性研究。以冰力学为主要内容,实验研究较为突出。这方面研究因主要针对港口等具体工程问题,相对比较分散。

河冰物理特征研究。主要针对河冰的形成、融化解体及冰凌问题,以冰的热力学和河流水力学的耦合为重点。相比于冰冻圈其他要素,河冰物理研究历史较短,针对工程和灾害的研究特点比较突出。相对来说,北美的研究历史较长,但也主要是?20?世纪中期以后才发展起来。

概括来说,20?世纪中后期是冰物理和冰冻圈物理过程研究迅猛发展的时期,冰的基本物理性质和冰冻圈各要素物理过程的基本概念得以大致明确。早期冰冻圈各要素研究相对比较独立,21?世纪以来冰冻圈多要素综合研究得到重视。

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