海冰的形成、生长和融化711海冰的存在

在第2章中介绍的概念的基础上，有必要参考Maykut(1985)的综述，并将淡水水体中的冰形成过程与北冰洋中的冰形成过程进行比较。图7.1给出了淡水的温度与密度关系。对大多数物质来说，温度的降低导致密度的提高。但淡水是一种非常不寻常的物质。降低到一个固定的阈值温度，冷却导致密度增加。在密度最大温度(Tm) 3.98°C以下，进一步冷却导致密度降低。的水的固体形态在冰点时，它的密度比液态水小10%，这是另一种说法，冰可以漂浮。

想象一下，冬天即将来临，淡水柱的温度(例如，在湖中)初始值高于最大值密度温度Tm。水柱从顶部冷却。这在水中形成了垂直的温度梯度。然而，随着密度的增加和温度的降低，冷却会使柱不稳定。这就产生了垂直对流，将较冷的地表水向下混合，较热的深水向上混合。这个过程一直持续到整个水柱达到最大密度的温度。从这一点开始，任何进一步的表面冷却都与密度的降低有关。这使得水柱变得稳定分层，这意味着越低水的密度在顶端。一旦色谱柱稳定分层，传导，而不是对流，主导热量传输。与对流相比，传导是一种相对低效的热传递机制。由于很难从较低的深度带出温水，表面冷却可以迅速进行，直到达到冰点(Tf)。进一步的冷却导致轻微的过冷，并继续形成冰。由于稳定的分层，即使大部分水柱明显高于冰点，冰也很容易在表面形成。

图7.1标准大气压下淡水和冰的温度与密度图(来自Maykut, 1985年，经华盛顿大学应用物理实验室华盛顿州西雅图)。

图7.2盐度对最大密度温度(虚线)和凝固点温度(实线)的影响(来自Maykut, 1985，经华盛顿州西雅图华盛顿大学应用物理实验室许可)。

再加盐，情况就彻底改变了。当盐度低于24.7 psu时，最大密度温度高于水的冰点。当盐度高于这个值时，最大密度的温度等于冰点(图7.2)。此外，溶液中盐的存在降低了水的冰点。对于一个典型的海洋盐度约35psu，值为-1.8°C。想象现在是北冰洋的秋天。与淡水水体的情况一样，水面冷却最初导致密度增加和垂直混合。图7.2中的图表可能会使人相信，在形成冰之前，整个水柱必须冷却到盐度调节的冰点。因为北冰洋的大部分是2-3公里深,冰形成队形似乎相当困难。它容易形成的原因是，在海洋上层有很强的、预先存在的稳定性，这限制了需要冷却的水的深度。

这种盐度结构的基础已在第2章中讨论过。重申一下，低盐度的表层(图2.7)是由流入北冰洋的河流排放、相对低盐度的海水通过白令海峡流入以及北冰洋上空的净降水维持的。在表层之下是大西洋层。大西洋层相对温暖，温度在0°C以上。它代表着海洋热量向地表的潜在来源，这将抑制冰的形成。但在北冰洋的低温区，垂直密度结构是由盐度决定的，而不是温度。因此，海水表面和大西洋暖水之间的盐跃层起到了强烈的密度梯度(碧cnocline)的作用，抑制了垂直混合。

在北冰洋，在结冰之前必须冷却到的深度(Zc)通常是10-40米，尽管已经观测到超过70米的值(Doronin和Kheisin, 1975)。当Zc为50米时，与Zc为10米时相比，初始冰形成日期可能会延迟至多两个月。地表混合层也随季节变化。随着秋天新冰的形成，冰中的盐水被排出。这些盐水向下混合，增加了表层的密度，削弱了碧绿层。在夏天，冰的融化使表层变得新鲜。

这增强了密度分层在最上面的30-50 m，强化了碧cnocline，进一步解耦了与大西洋水的热交换(Carmack, 1990)。

继续阅读:海冰生长和融化

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