中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊    冰凍圈物理研究旨在探究冰凍圈各要素的物理性質(zhì)、冰凍圈各要素形成與演化，以及冰凍圈與其他圈層相互作用等諸多過程中的物理機制，為冰凍圈科學(xué)研究的各個方面提供理論支撐；冰凍圈物理研究是冰凍圈科學(xué)基礎(chǔ)研究的核心，貫穿于冰凍圈科學(xué)研究的各個方面。

冰凍圈要素種類較多，包括冰川（含冰蓋）、凍土、積雪、河冰和湖冰、海冰、冰架、冰山、海底凍土，以及大氣中的固態(tài)水等。這些冰凍圈要素因其物質(zhì)組成、形成和發(fā)育條件、演化過程等存在差異，其物理性質(zhì)和各種過程的物理機制有所不同。另外，過去長時期內(nèi)冰凍圈各要素的研究都是相對獨立發(fā)展，研究歷史不盡相同，發(fā)展也不平衡。

隨著冰凍圈科學(xué)體系的建立，不僅要系統(tǒng)性地從圈層整體出發(fā)開展冰凍圈物理研究，也要對各個冰凍圈要素的物理過程繼續(xù)深入研究，研究內(nèi)容十分廣泛，不同研究內(nèi)容的時空尺度和精細程度也有很大差異。因此，有必要根據(jù)學(xué)科發(fā)展的動態(tài)和國家重大需求，對冰凍圈物理研究的發(fā)展給予一些梳理和思考。

冰凍圈物理研究的發(fā)展

所有冰凍圈要素中的核心物質(zhì)是冰，了解冰的各種物理性質(zhì)是探究冰凍圈各要素物理過程的基本前提。因此，可從冰物理學(xué)和冰凍圈各要素物理學(xué)兩方面簡略概述冰凍圈物理研究的發(fā)展過程。

冰的基本物理性質(zhì)

自古以來，人們對自然界廣泛存在的冰和雪并不陌生，盡管冰的一些奇妙特性一直吸引著人們的興趣，但對其基本物理性質(zhì)的認識長期停留在肉眼觀察和表觀感知上。

近百年來，隨著精密儀器和實驗技術(shù)的迅猛發(fā)展，冰因其特性在許多領(lǐng)域的應(yīng)用迅速增長，如冰凍圈科學(xué)、大氣科學(xué)、地質(zhì)和地球物理學(xué)、冰工程學(xué)、低溫生物學(xué)等，冰的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的相關(guān)研究也得到了快速發(fā)展。20?世紀早期的實驗觀測明確了自然界中的冰為六方晶體物質(zhì)，冰在某些方面的性質(zhì)與其他晶體物質(zhì)（如某些金屬和礦物等）具有一定程度的相似性。20?世紀?40?年代后期，冶金學(xué)和材料力學(xué)等研究方法的引入，使得對冰的物理性質(zhì)和力學(xué)特性的實驗研究得以廣泛開展。到?20?世紀?50?年代末，研究人員已明確了冰的基本力學(xué)特性，揭示出冰雖然作為固體具有剛體脆性，但在高溫下（自然界的冰都較為接近熔點）盡管還有一定的彈性，其塑性特征卻是最主要的，且主要變形屬于蠕變范疇，可表述為冪函數(shù)蠕變規(guī)律。與此同時，對冰的其他物理性質(zhì)的實驗觀測也大量開展，到?20?世紀?60—70?年代，研究人員對冰的各種物理性質(zhì)已經(jīng)有了大致了解，這奠定了冰物理性質(zhì)的基本概念。

冰的物理性質(zhì)受多種因素的影響，如溫度、受力狀況、雜質(zhì)成分和含量，以及冰的結(jié)構(gòu)（如組構(gòu)特征、晶粒尺寸、密度、氣泡等）等。如果是巨大冰體，這些影響因素往往在空間上不均一，在時間上也有變化；因而，對各種各樣冰體物理性質(zhì)的現(xiàn)場觀測和實驗研究一直在持續(xù)探索中。這使得冰的物理性質(zhì)的基本概念不斷完善，各種類型冰的實驗觀測數(shù)據(jù)也得以不斷豐富。

冰凍圈主要要素物理特征研究

由于冰凍圈不同要素的主要物理過程不盡相同，對其物理特征的研究重點也有差異，但總體上主要以水-熱和動力過程為主。

冰川物理特征研究。在冰川動力學(xué)方面。就冰川來說，冰體流動及其相關(guān)過程是最為核心的內(nèi)容。因此，19?世紀以前就已有對冰體流動機理的探索。然而，由于對于冰的微觀結(jié)構(gòu)和流變特性的認識不是很清晰，關(guān)于冰川運動的機理長期處于各種假設(shè)和爭論中。直到?20?世紀中期，冰的蠕變規(guī)律的大量實驗結(jié)果涌現(xiàn)以后，研究人員才對冰川的流動機制有了一致的認識，建立了冰體在自重作用下的蠕變變形和當(dāng)?shù)撞繙囟冗_到或接近熔點時的滑動運動的基本理論。由于冰的真實變形規(guī)律為冪函數(shù)，在冰川運動模擬中的數(shù)學(xué)處理非常困難，因此用理想塑性體或黏性流體近似描述冰體變形也比較普遍。在冰川熱力學(xué)方面。冰川熱力學(xué)研究也有較長歷史，起初主要以溫度場描述開展，后來則是伴隨冰川動力學(xué)研究將其耦合到冰體動力學(xué)模擬研究中，冰川表面能量平衡和物質(zhì)平衡也由統(tǒng)計經(jīng)驗?zāi)Ｊ较蛭锢砟Ｊ健⒂蓡吸c向分布式模式發(fā)展。

凍土物理特征研究。凍土物理特征的重點是土壤凍融過程中水-熱輸運的耦合機制和凍土力學(xué)特性。相比于冰川研究，凍土研究歷史較短，尤其是凍土區(qū)工程相關(guān)問題研究于?20?世紀中后期才迅速發(fā)展起來。水-熱耦合作用是凍土學(xué)研究的核心科學(xué)問題，主要因為水分遷移和相變對溫度起著決定性影響，溫度及其梯度又直接影響土壤水分遷移及相變。凍土力學(xué)既是凍土物理學(xué)的主要內(nèi)容之一，又是凍土學(xué)的一個重要分支，因其是處理凍土工程問題的基礎(chǔ)，一直受到格外重視。由于凍土的物質(zhì)組成極為復(fù)雜多樣，正凍土和正融土中的水-熱過程也伴隨著力學(xué)過程，從而引起土體的凍脹和融沉。因此，水-熱-力三場耦合成為了凍土研究的本質(zhì)問題。又因為土體中和水分中常含有鹽分，鹽分介入對水-熱-力三場耦合作用機制具有極大影響，從而也影響著土體的凍脹和融沉，于是近年來水-熱-力-鹽四場耦合問題受到關(guān)注。凍土物理特征的研究更多依賴于實驗室各種土體樣品的觀測和實驗。

積雪物理特征研究。積雪物理特征研究常常與氣象學(xué)和水文學(xué)聯(lián)系在一起。因為積雪的存在改變了地表作為大氣下墊面的特性，特別是雪面的高反照率對地表能量平衡有重要影響，而積雪融化又是地表水文過程的一個重要方面。積雪物理特征研究的重點是不同類型積雪變化過程中的各種物理特性定量描述、雪的粒雪化過程、在溫度梯度作用下雪層內(nèi)水汽遷移及再凍結(jié)、深霜及雪板的形成、雪的光學(xué)性質(zhì)和積雪融化等。受監(jiān)測手段制約，早期的研究以積雪的主要物理特性和變化特征的定性描述和分類居多，隨著遙感應(yīng)用及數(shù)值模擬的發(fā)展，積雪的能量和質(zhì)量遷移模式不斷優(yōu)化。

海冰物理特征研究。海冰的物理特征研究歷史也較短，可分為?2?個方面。大范圍海冰（主要是北極海冰和南極海冰）的形成和演化過程的物理機制。重點描述海冰相關(guān)的物理參數(shù)分布，為建立海冰模式和預(yù)測其變化服務(wù)。其中，北極海冰研究歷史相對較長，但也基本在百年以內(nèi)，這方面研究中熱力學(xué)內(nèi)容占的比重較大，主要基于能量平衡和物質(zhì)平衡來開展。較早研究因受實地監(jiān)測資料限制，對某個參數(shù)的分散研究較多。20?世紀?90?年代初以來，隨著遙感應(yīng)用的發(fā)展，大范圍多參數(shù)實時監(jiān)測資料迅速豐富，對海冰各種物理參數(shù)和相關(guān)過程的系統(tǒng)研究快速發(fā)展。針對海冰工程問題的物理特性研究。以冰力學(xué)為主要內(nèi)容，實驗研究較為突出。這方面研究因主要針對港口等具體工程問題，相對比較分散。

河冰物理特征研究。主要針對河冰的形成、融化解體及冰凌問題，以冰的熱力學(xué)和河流水力學(xué)的耦合為重點。相比于冰凍圈其他要素，河冰物理研究歷史較短，針對工程和災(zāi)害的研究特點比較突出。相對來說，北美的研究歷史較長，但也主要是?20?世紀中期以后才發(fā)展起來。

概括來說，20?世紀中后期是冰物理和冰凍圈物理過程研究迅猛發(fā)展的時期，冰的基本物理性質(zhì)和冰凍圈各要素物理過程的基本概念得以大致明確。早期冰凍圈各要素研究相對比較獨立，21?世紀以來冰凍圈多要素綜合研究得到重視。