冰-水-结构物耦合运动学导论（普通高等教育三海一核系列规划教材）

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第1章 海冰基本性质
　　1.1 概述
　　全球冰的总体积约为2000万km3，约占地表水(不包含岩石圈内的水)总体积的1.7%。就物质分布而言，冰是地球表面和大气圈中分布最广的一类固态成分。海冰是海上一切冰的总称，虽然包括入海河冰，但绝大部分是由海水冻结而成并含有卤水泡的冰[1]。南半球中南极洲是世界上最大的天然冰库，全球冰雪总量的90%以上储藏在这里。2019年根据遥感数据显示，冬季(2月左右)全球海冰约覆盖洋面的76%，夏季(9月左右)约覆盖洋面的23%。
　　近年来，随着全球气候变化引起的气温升高，极地海冰面积开始逐渐缩减，开发北极航道通航和极地资源等极地活动变得日益现实。与开敞水域明显不同的是，极地水域存在大量海冰。极地装备运行于冰-水耦合环境中，冰-水-结构物的复杂耦合作用成为极地船舶和海洋工程结构物设计和运行的核心问题之一。在研究冰-水-结构物耦合作用之前，首先需要了解海冰的基本物理力学性质。由于海冰的冰晶形态、尺寸及内部宏观缺陷(如杂质、卤水体积、裂隙)等本身内部构造特征及加载速率、试验温度、加载方式(加载方向和形式)等外界因素都对海冰的物理力学性能有较大影响，所以海冰物理力学性能及破坏机理极为复杂。海冰与冰区船舶和海洋结构物的作用目前仍无固定适用的数学物理模型，海冰的本构模型仍然是一大难点。因此，目前在研究极地冰区装备与海冰相互作用问题时，海冰的物理力学性质和失效模式研究仍是关键问题之一。本章将从海冰的物理性质、力学性质、常用试验方法和海冰的分类方法等几个方面对海冰的基本性质进行介绍。
　　1.2 海冰的物理性质
　　海冰不同于成分较为单一的淡水冰，其内部主要由淡水冰晶、多种卤化物、固态盐及空气等组成，内部细观结构多样，是一种性质十分复杂的天然材料。本节从晶体结构、密度、温度、盐度、孔隙率、卤水体积方面来介绍海冰的物理性质，最后介绍海冰的冻结形成过程。
　　1.2.1 海冰的晶体结构
　　目前的研究表明，冰可以具有13种晶体结构和2种非晶体形态，其中最常见的冰晶构型是Ih型，如图1.1所示，图中a0表示冰单元核的尺寸，C0代表立方空间晶格的尺寸。冰的每一个氧原子占据四面体的中心，其周围具有四个其他氧原子和它连接，如图1.1左下角的实心圆球所示。在0℃下，氧原子的间距为0.276nm，此时分子之间存在较大的空隙，这也是冰的密度比水小的主要原因。这种六边形结构的排布形式，会使得氧原子集中在一系列被称为基面的平行平面内。在基面内部，氧原子会形成一个个褶皱的六边环，所以Ih型冰晶构型也是六边形。六边环的存在使得生长出的冰晶具有良好的六边对称性，这正是自然界中经常能观测到美丽的六边形雪花的原因。垂直于基面的方向称为c轴，基面内六边环三个对角线方向称为a轴。
　　图1.1 Ih型冰晶基本结构[2]
　　冰的氢原子不具有像氧原子一样的对称性和规则结构。即使一个氢原子的位置已知，也不能确定另一个氢原子的位置状态。但这也不意味着氢原子完全没有规律，Bernal-Fowler规则指出，每一个氧-氧键之间有一个氢原子存在，同时每一个氧原子附近也存在一个氢原子。然而Bernal-Fowler规则并不是一直不变的，有时可能存在两类缺陷：一类是“点缺陷”，也称为Bjerrum缺陷；另一类是“离子缺陷”。点缺陷共有两种形式，一是L-缺陷，一是D-缺陷。L-缺陷指的是氧-氧键之间没有氢原子存在，而D-缺陷指的是氧-氧键之间有两个氢原子存在。对于离子缺陷，会形成一个氧原子附近有三个氢原子的H3O+正离子和一个氧原子附近有一个氢原子的?OH?负离子。这些缺陷的存在和运动会使得水分子可以在氧原子位置不变的条件下旋转，从而使得位错运动更容易发生。
　　海冰按晶体结构类型可分为颗粒冰、柱状冰、雪冰和板状冰。其中颗粒冰和柱状冰是最常见的两种结构类型。热力学生长的平整海冰晶体，上层部分是颗粒冰，下层为柱状冰。两种冰都具有以c轴为基准的微观结构，且冰晶体沿着垂直于c轴方向的生长速度最快。当冰层形成后表层积雪达到一定条件出现淹水现象后再冻结会形成雪冰，或者表层积雪无淹水现象但是在长时间的变质和融化冻结下也会形成雪冰。板状冰是海冰的一种冰晶类型，是在海洋动力学和热力学共同作用下形成的。一般认为过冷水和冰下强湍流层是板状冰花形成的诱因，其中海冰中高盐低温面水下泄也可引起海水生成板状冰花。板状冰花上浮并堆积于冰水界面后，在热力学的冻结作用下形成板状冰。北极多年冰晶体结构中还包含碎屑凝聚冰，这种冰是在北冰洋海洋动力作用下海冰破碎再冻结形成的[3]。
　　1.2.1.1 北极海冰晶体结构
　　图1.2和图1.3给出了北极夏季6个浮冰站观测到的海冰内部晶体组构图以及北极夏季6个浮冰站海冰切片在自然光和偏振光下的内部结构[4]。通过自然光下的内部组构可观测到夏季海冰内有大体积气泡和卤水通道，在上层海冰中大体积孔穴相对较多，下层相对较少，这与海冰的融化程度有关[5]。太阳辐射和气温对海冰的影响随着深度增加逐渐减弱，融化期海冰上层在太阳辐射和大气-海冰-海洋热传递综合作用下快速升温，融水下泄及下层气体上移都会造成孔穴的上多下少。从图1.2中可知Sta.1、Sta.2、Sta.5、Sta.6为一年冰，Sta.3为两年冰，Sta.4为多年冰。6个浮冰站海冰最上层为颗粒冰，最下层为柱状冰，颗粒冰和柱状冰中间夹杂有过渡层。其中Sta.6颗粒冰厚度占比最大，厚度达到0.8m，颗粒冰的厚度受冻结期气温和海洋动力条件控制，冻结期遭遇强寒流引起的低气温及水体紊乱都会导致颗粒冰晶体形成。Sta.4冰晶体结构相对复杂，在形成过程中受动力学因素影响出现倾斜层[4]。
　　图1.2 北极海冰内部组构(竖直原点对应海冰表面)[4]
　　图1.3 北极海冰竖直切片在自然光和偏振光下观测到的内部结构[4]
　　1.2.1.2 南极固定冰晶体结构
　　根据图1.4南极固定冰晶体结构图片分析结果可知，在深度区间0.03～0.23m内为颗粒冰；深度区间0.23～1.31m内为柱状冰；深度区间1.31～1.49m内为板状冰。上层的颗粒冰孔隙较多，这是夏季海冰融化水下泄引起的，表现得相对疏松；中间的柱状冰层排列相对致密；底层的板状冰孔隙较多，是由海水中的冰花上浮堆积在海冰底层冻结导致的。
　　 图1.4 南极固定冰竖直切片在自然光和偏振光
　　下观测到的内部结构[4] 比较夏季北极海冰(图1.3)与南极固定冰(图1.4)内部结构。首先，夏季北极海冰与南极固定冰内部缺陷存在差异，北极海冰在夏季融化期，其冰内气泡和卤水通道分布更为透明且体积相对较大。南极固定冰内大体积气泡和卤水通道主要分布于0.03～0.18m的上层冰层，下层冰层孔隙缺陷尺寸较小[4]。另外，南北极海冰的晶体结构也存在不同。对于表层附近冰体，因为不管是海冰还是固定冰，初期成冰条件是相似的，所以北极海冰与南极固定冰表都为颗粒冰。但对于内部冰体冰晶而言，北极海冰的晶体结构存在过渡层和倾斜层，过渡层主要由复杂的海洋动力条件和气象条件引起，倾斜层是海冰在动力条件成脊时引起冰层挤压和重叠形成的。南极固定冰是典型的热力生长晶体，在初期颗粒冰形成后受到晶体间的侧向限制，晶体生长出现几何选择引起竖向生长速度占绝对优势时形成柱状冰晶体，冰层达到一定厚度即与岸基固结形成固定冰。热力学生长的柱状冰是南极固定冰的主要晶体类型[6]。在南极冰川影响下的过冷水团和海冰下泄的高盐度低温卤水在海水内生成板状冰花，板状冰花在海冰底面堆积，而后在热力作用下再冻结形成板状冰。而在北极海冰中没有发现类似于南极固定冰最下层的板状冰，这是两种晶体之间的显著差异[5]。
　　1.2.2 海冰的密度及测量方法
　　1.2.2.1 海冰的密度
　　海冰密度定义为海冰质量与海冰体积的比值，即
　　(1.2.1)
　　在密度测量过程中，获得的海冰质量也包含了海冰内气泡、卤水泡、海水、杂质的质量。
　　极地海冰的密度取决于卤水体积、温度以及海冰的生长冰龄等因素。此外，季节性的洋流也是影响海冰密度的重要因素。海冰冻结后，密度比海水小，海冰基本上都在海平面漂浮。淡水冰在0℃时密度为917kg/m3，但是由于各种因素，海冰的密度要小于淡水冰。两极地区当年冰的典型密度分布区间为720～940kg/m3，平均密度为910kg/m3。近期较为准确的测量资料显示，在水面以上的冰层，密度分布为840～910kg/m3，而在水面以下的冰层的密度范围是900～940kg/m3。通常而言，海冰密度也随温度而变化，一般情况下极地海冰的密度取920kg/m3。
　　海冰的密度也和海域有一定的关系，根据表1.1所示，渤海沿岸海冰的密度范围为812.9～964.7kg/m3。
　　表1.1 渤海沿岸测量点数据[7]
　　1.2.2.2 海冰密度的测量方法
　　自然界中的海冰具有明显的时空分布差异，因此海冰的密度也随时空分布变化。特定的海冰密度测量技术相对成熟，测量方法有质量/体积法、液体静力称量法等。注意测量海冰密度时，冰样采样、运输和存储过程中要保证冰样所处环境的恒定，尤其要做好保温工作，降低外界因素对冰样物理性质的影响。
　　1) 质量/体积法
　　首先应获得需要测量的冰试样冰胚样本，并且将样本加工成可以测量体积的规则样本，然后测量规则试样的质量和体积，利用公式(1.2.2)即可计算出需要测量的海冰密度。此方法操作简单，但在测量中注意控制测量仪器精度，冰胚样本的密度测量试验一般是在考察船实验室或者低温实验室内进行，测量过程中要避免船体振动的影响。
　　2) 液体静力称量法
　　液体静力称量法测量海冰密度，是将海冰样本完全浸没在比海冰密度小的液体中称重，再根据阿基米德浮力定律，计算出海冰密度
　　(1.2.2)
　　其中，为海冰的密度；是液体密度；是海冰试样在空气中的质量；是海冰试样浸入液体后的总质量。
　　液体静力称量法是一种比较精确的测量方法，该方法不需要测量海冰试样的体积，对试样形状的要求不高。但是值得注意的是如果海冰试样内存在贯通的孔隙，那么这样测得的密度不是海冰的真实密度。
　　1.2.3 海冰的温度
　　地球的南北两极常年为冰雪所覆盖，气温极低。两极地区的平均气温在?20℃以下，远远低于我国北方海域[8]。极地冬季一般从11月开始直到次年4月结束，在这段时间内，平均气温维持在?30℃上下。北极夏季在7～8月，平均气温维持在???～10℃。环境大气温度和海冰周围的海水温度是影响海冰温度的两个主要外界因素。海冰的温度断面较为复杂，表层温度较低，与大气温度大体相同，底层温度最高，与海水接近。在冬季，气温低、水温高，冰层的温度自上表面开始向下越来越高，直到下表面的冰温与海水温度相同，如图1.5与图1.6所示，可近似认为温度变化的规律遵循线性变化。相反，在夏季融化期内，气温高、水温低，固定冰整体冰温可达?2℃以上，其整体温度变化规律为：冰温随深度增加而逐渐降低，在70 cm以下的海冰，其温度大致保持在?1.8～?1.6℃[9]。
　　 图1.5 冬季极地海冰的温度剖面图[9] 图1.6 夏季极地海冰的温度剖面图[9] 1.2.4 海冰的盐度
　　海冰盐度是海冰重要的物理性质，对于海冰力学性质影响也非常大。海冰盐度的定义为海冰所含盐的质量与海冰总质量的比值，单位为ppt(‰)，即
　　(1.2.3)
　　海冰的盐度主要取决于三个因素：
　　(1) 海水本身的含盐度：海水在冻结成冰时，总会有部分卤水在结冰的过程中流出，故而海冰盐度总是低于相应形成海冰的海水盐度。通常来说，海冰的盐度在2.9～7.3ppt[10]。海水盐度越高，形成的海冰盐度也越高。典型冰区的海冰盐度如表1.2所示。
　　表1.2 海冰盐度与地区的关系
　　海冰所在地区 北冰洋沿岸 南极大陆