颗粒状海冰中垂直流体流动的渗流阈值

为什么海冰中的微小通道很重要

海冰看上去可能像一片坚固、无生命的冰面，但其内部遍布着盐水的微观通道。这些隐蔽的通路控制着热量、气体和营养物质在海洋与大气之间的交换，影响着从气候到生活在冰内的藻类等各种过程。本研究提出了一个简单却关键的问题：在什么情况下海冰内部的这些管道会连通到足以让水自由上下流动？答案取决于冰晶的排列方式，且差异显著——这一点对我们在变暖的极地环境中如何建模有重大影响。

两种海冰，截然不同的行为

并非所有海冰的结构都相同。在“柱状”冰中，冰晶成长为纵向的长薄板，盐水被困在它们之间的层状薄片和通道内。在“颗粒状”冰中，冰晶更像一堆小颗粒，盐水则填充在颗粒间的薄膜和空隙中。早期工作显示，当盐水体积分数低于约5%时，柱状海冰对整体垂直流动实际上会变得不透水；超过该水平时，盐水即可通过连续通道渗流。这个简单的经验被称为“5%规则”，在海冰模型中被广泛采用。但颗粒状海冰（在南极很常见，并且在更薄更年轻的北极冰层中越来越多）被怀疑表现不同，因为其盐水网络连接性没有那么规整。

测量水何时能移动

为弄清颗粒状冰的行为，作者在SIPEX II远征期间对南极一年生浮冰进行了100多次实地测量。他们沿垂直方向钻入部分孔洞，用配套管子密封侧面，并用压强传感器记录海水从下方上涌进入孔内的速度。通过这种“放水测试”，他们能够逆推计算出孔下方冰体的通水难易程度。随后，他们将这些测量结果与附近冰芯的详细温度、盐度和晶体结构剖面相结合，以确定局部的盐水含量及该处冰层是柱状还是颗粒状。结果显示了一个显著模式：当盐水体积分数低于约10%时，颗粒状冰基本不可渗透；只有超过这一更高的阈值才变得可渗透。

来自染料实验和简单模型的支持证据

作者还重新审视了早期一趟南极航次中的染料示踪实验，在那些实验里，将着色并冷却的水倒在倒置的海冰块上。每次实验中，染色的流体都迅速穿过上部高度可渗层，但在更深、更冷、盐水体积分数约为10%的层位处突然停止。尽管这些实验最初只是探索性，结果独立地呼应了放水测试中观察到的10%临界值。为了解释为何颗粒状冰需要更高的盐水含量才能传导流体，作者采用了一个最初用于聚合物与金属粉末混合物的简单模型。通过测量南极冰微观照片中冰晶与周围盐水薄膜的相对尺寸，他们将这一“压缩粉末”框架改编用于海冰，并发现它自然而然地预测出颗粒状冰的渗流阈值较高（约为10%），而柱状冰则较低（约为5%）。

随机性中隐藏的普适规律

除了识别阈值本身，研究还检验了渗流理论的预测——渗流理论是统计物理的一个分支，用以描述在随机系统中连通性如何突然形成。超过阈值后，理论预测渗透性随系统超越临界点的程度呈简单幂律增长，并具有所谓的临界指数，该指数是“普适的”，只依赖于维数而非微观细节。令人惊讶的是，早期工作表明柱状海冰的行为似乎与理想格子模型共享相同的临界指数。通过将他们对颗粒状冰的新渗透性测量与先前对其孔隙空间的成像相结合，作者证明颗粒状冰遵循相同的普适标度。一旦超过约10%的阈值，其渗透性随盐水含量的上升几乎以与柱状冰和抽象模型网络相同的数学方式增长。

这对气候与冰中生命意味着什么

对于试图预测极地气候、海洋化学以及与冰相关生态系统的科学家而言，这些发现传递了一个明确的信息：不能假设存在单一、统一的海冰可渗透性临界值。颗粒状冰（占据南极浮冰的大部分，并在北极越来越普遍）只有在盐水体积分数达到约10%时才允许整体垂直流动——大约是柱状冰熟知的5%规则的两倍。这个更高的阈值影响融水排泄的速度、表面池塘的形成，以及营养物质和气体通过冰层的效率。与此同时，发现两种冰在各自不同阈值之上共享同一普适标度，加强了统计物理学作为描述极地海冰复杂且变化织构的强有力统一语言的观点。

引用: Golden, K.M., Furse, C.M., Gully, A. et al. Percolation threshold for vertical fluid flow through granular sea ice. Sci Rep 16, 11435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41706-w

关键词: 海冰渗透性, 颗粒状海冰, 渗流阈值, 极地气候, 盐水通道