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海冰

2019-12-16 17:36:06 来源:天气频道 责任编辑:www.580yahui.com

 

  海冰是海中一切冰的总称,海洋中的冰主要是由海水冻结而成的,也有一部分是来自江河注入海中的淡水冰。

  海冰是大气和海洋相互作用的结果,是在一定的海域中,以内能和热能的转化为主要矛盾,并达到临界状态(温度低于海冰的冰点)的产物,其生成、发展和消融是一个复杂的物理和化学过程。海水结冰时,是其中的水冻结,而将其中的盐分排挤出来,部分来不及流走的盐分以卤汁的形式被包围在冰晶之间的空隙里形成“盐泡”。此外,海水结冰时,还将来不及逸出的气体包围在冰晶之间,形成“气泡”。

  因此,海冰实际上是淡水冰晶、卤汁和气泡的混合物。其成分比率随外界条件(温度、载荷)、时间和空间等发生变化。

  海冰 - 形成条件

  海水结冰需要三个条件:

  1、气温比水温低,水中的热量大量散失;

  2、相对于水开始结冰时的温度(冰点),已有少量的过冷却现象;

  3、水中有悬浮微粒、雪花等杂质凝结核。淡水在4℃左右密度最大,水温降到0℃以下即可结冰。

  海冰 - 物理性质

  盐度

  海冰的盐度是指其融化后海水的盐度,一般为3~7‰左右。海冰盐度的高低取决于冻结前海水的盐度、冻结的速度和冰龄等因素。冻结前海水的盐度越高,海冰的盐度可能也越高。在南极大陆附近海域测得的海冰盐度高达22‰-23‰。结冰时气温越低,结冰速度越快,来不及流出而被包围进冰晶中的卤汁就越多,海冰的盐度自然要大。在冰层中,由于下层结冰的速度比上层要慢,故盐度随深度的加大而降低。当海冰经过夏季时,冰面融化也会使冰中卤汁流出,导致盐度降低,在极地的多年老冰中,盐度几乎为零。

  密度

  纯水冰0℃时的密度一般为917kg/m3 ,海冰中因为含有气泡,密度一般低于此值,新冰的密度大致为914~915kg/m3 。冰龄越长,由于冰中卤汁渗出,密度则越小。夏末时的海冰密度可降至860kg/m3 左右。由于海冰密度比海水小,所以它总是浮在海面上。

  热性质

  海冰的比热容比纯水冰大,且随盐度的增高而增大。纯水冰的比热容受温度的影响不大,而海冰则随温度的降低有所降低。在低温时,由于其含卤汁少,因此随温度和盐度的变化都不大,接近于纯水冰的比热。但在高温时,特别在冰点附近(-2℃),由于海冰中的卤水随温度的升降有相变,即降温时卤水中的纯水结冰析出,升温时冰融化进入卤水之中,从而使其比热容分别有所减小和增大。其减小和增大值因其盐度而有极大差异,低盐时其比热容小,而高盐时其比热容将比纯水冰大数倍,甚至十几倍。

  海冰的融解潜热也比纯水冰的大。海冰的热传导系数比纯水冰小,因为海冰中含有气泡,而空气的热传导系数是很小的。海冰的热传导系数略大于海水的分子热传导系数,因而海冰限制了海洋向大气的热量输送,而且也使海洋的蒸发失热大为减少,从而形成了海洋的保护层。由于海冰上部的空隙比下层的空隙多,所以其热导系数也随深度,即由冰面向下的厚度而增大,超过1m的海冰其热传导系数就与纯水冰相差不大,在表面附近约为纯水冰的1/3左右。

  海冰的热膨胀系数随海冰的温度和盐度而变化。对低盐海冰,随着温度的降低,它开始是膨胀,继之变为收缩。由膨胀变为收缩的临界温度值随海冰盐度的增加而降低。对于高盐海冰,随温度降低始终是膨胀的,但膨胀系数越来越小。海冰的抗压强度约为纯水冰的3/4,这显然是因其存在许多空隙造成的。

  其他物理性质

  海冰对太阳辐射的反射率远比海水的大,海水的反射率平均只有0.07,而海冰可高达0.5~0.7。由于海冰的覆盖面积比陆冰还大,故其反射的能量无论对海洋自身或者气候状况的影响都是不可忽视的。

  海冰 - 基本分类

  固定冰

  固定冰是与海岸、岛屿或海底冻结在一起的冰。当潮位变化时,能随之发生升降运动。其宽度可从海岸向外延伸数米甚至数百千米。海面以上高于2m的固定冰称为冰架;而附在海岸上狭窄的固定冰带,不能随潮汐升降,是固定冰流走的残留部分,称为冰脚。搁浅冰也是固定冰的一种。

  流(浮)冰

  自由浮在海面上,能随风、流漂移的冰称为流冰。它可由大小不一、厚度各异的冰块形成,但由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面5m以上的巨大冰体——冰山,不在其列。流冰面积小于海面1/10~1/8者,可以自由航行的海区称为开阔水面;当没有流冰,即使出现冰山也称为无冰区;密度4/10~6/10者称为稀疏流冰,流冰一般不连接;密度7/10以上称为密集(接)流冰。在某些条件下,例如流冰搁浅相互挤压可形成冰脊或冰丘,有时高达20余米。

  海冰 - 成长形态

  海面上的浮冰(流冰)并不是一时就能够形成的,它的形成过程可以分为几个阶段。

  初生冰

  当海上气温下降到海水的冰点,或有雪降到低温的海面上时,海水会开始结冰。这时结成的海冰还不是大块形状,而是呈针状、薄片状、浆糊状或绵状。

  冰皮

  冰皮是由平静的海面直接冰冻结成或者是由初生冰继续冰冻而成的海面冰层。它的厚度大概是5厘米,比较脆,容易被海面的风或海面的水流弄碎,变成长方形的薄冰块。

  尼罗冰

  当初生冰成长到厚度约有10厘米时,开始变得比较有弹性,但依然容易断折。

  莲叶冰

  莲叶冰是直径在30厘米到3米之间,厚度10厘米左右的浮冰。在较为平静的海面上,初生冰可以直接冻结为莲叶冰。而大块的冰皮或尼罗冰破碎后也可以形成莲叶冰。莲叶冰的边缘由于与其它冰块碰撞,而形成一圈凸起,而且形状近似圆形,所以仿佛海面上的一朵朵莲叶,故称为莲叶冰。

  灰冰、灰白冰和白冰

  当寒冷持续时,初生冰、尼罗冰、冰皮和莲叶冰会混杂在一起,厚度继续增加。当厚度增加到10至15厘米时,冰面多呈灰色,称为灰冰。灰冰脆而易断,受挤压的时候会折断而重叠,增加厚度。厚度增加到15至30厘米时,冰块颜色从灰色过渡到灰白色,称为灰白冰。而当厚度增加到30厘米以上时,色泽变为白色,表面凹凸不平,形状也变得不规则了,这时的浮冰称为白冰。

  一年冰

  一年冰是指成长期没有超过一个冬季的白冰,一般厚度在30厘米以上。

  多年冰(老冰)

  多年冰是指至少经过了一个夏季的海冰。由于经过夏天受热,表面融解再结冰,使得表面比较光滑。同时,由于夏季融解时冰晶中的盐泡会融合或析出,老冰的盐度会比一年冰低,而且随着年龄递减。老冰的颜色一般是青色或蓝绿色。

  海冰 - 分布

  固定冰与海岸、岛屿或海底冻结在一起,多分布于沿岸或岛屿附近,其宽度可从海岸向外延伸数米至数百公里;流(浮)冰自由漂浮于海面,随风、浪、海流而漂泊。

  海水具有显著的季节和年际变化。北半球冰界以3~4月最大(面积约1100万平方公里),8~9月最小(约700~800万平方公里),流冰群主要绕洋盆边缘流动,多为3~4米厚的多年冰。南半球冰区以9月最大(面积1880万平方公里),3月最小(面积约260万平方公里),多为2~3米厚的一年冰。

  因北冰洋四周被大陆包围着,流冰受到陆地的阻挡,容易叠加拥挤在一起,形成冰丘和冰脊。在北极海域里,冰丘约占40%。北冰洋的白令海、鄂霍次克海和日本海,冬季都有海冰生成;大西洋与北冰洋畅通,海冰更盛。在格陵兰南部,以及戴维斯海峡和纽芬兰的东南部都有海冰的踪迹,其中格陵兰和纽芬兰附近是北半球冰山最活跃的海区。

  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。南大洋上的海冰,不同于格陵兰冰原上的冰,也不同于南极大陆的冰盖,只有环绕南极的边缘海区和威得尔海,才存在着南大洋多年性海冰。在冬半年(4~11月),一二米厚的大块浮冰不规则地向北扩展,把南纬40°以南的南大洋覆盖了1/3。南极洲附近的冰山,是南极大陆周围的冰川断裂入海而成的。出现在南半球水域里的冰山,要比北半球出现的冰山大得多,长宽往往有几百公里,高几百米,犹如一座冰岛。

  海冰 - 影响

  对海洋铅直分布的影响

  由于结冰过程中存在的海水铅直对流混合常达到相当大的深度,在浅水可直达海底,从而导致所有海洋水文要素的铅直分布较为均匀。这一过程又能把表层高溶解氧的海水向下输送,同时把底层富含浮游植物所需要的营养盐类的肥沃海水输送到表层,有利于生物的大量繁殖。因此,有结冰的海域,特别是极地海往往具有丰富的渔业资源。例如南极的鳞虾和鲸渔场闻名世界,与此即有直接关系。融冰时,表层会形成暖而淡的水层覆盖在高盐的冷水之上,出现密度跃层,这又会影响各种水文要素的铅直分布和上下水换。

  对海洋动力现象的影响

  海冰的存在对汐、流的影响极大,它将阻尼位的降落和流的运动,减小差和流速;同样,也将使波高减小,阻碍海浪的传播等。

  对海水热状况的影响

  当海面有存在时,海水通过蒸发和湍流等途径与大气所进行的热换大为减少,同时由于热传导极差,对海洋起着“皮袄”的作用。对太阳辐射能的反射率大,以及其融解潜热高等,都能制约海水温度的变化,所以在极地海域水温年变幅只有1℃左右。

  其他影响

  极地海冰可形成大洋底层水。特别在南极大陆架上海水的大量冻结,使冰下海水具有增盐、低温从而高密的特点,它沿陆架向下滑沉可至底层,形成所谓南极底层水,并向三大洋散布,从而对海洋水文状况具有十分重要的影响。

  海冰 - 危害

  海冰不仅对海洋水文状况,对大气环流和气候变化会产生巨大的影响,而且会直接影响人类的社会实践活动。随着人类海上活动的增加,冬季海冰的危害和威胁也日渐增多。舰船和海港等受海冰危害的形式大致有以下几种:

  1.封锁港口、航道;

  2.堵塞舰船海底门;

  3.使锚泊舰船走锚;

  4.挤压损坏舰船;

  5.破坏海洋工程建筑物和各种海上设施;

  6.使渔民休渔;

  7.船舶积冰。

  例如,俄罗斯北方航线的某些段,每年通航期仅有2-4个月。而冰山更是航海的大敌,45000吨的“泰坦尼克”号大型豪华游船,就是在1912年4月14日凌晨在北大西洋被冰山撞沉的,使1500余人遇难;1969年2-3月间,中国渤海曾发生严重冰封,除了海峡附近外,渤海几乎全被冰覆盖,港口封冻,航道阻塞,海上石油钻井平台被冰推倒,海上航船被冰破坏,万吨级的货轮被冰挟持,随冰漂流达4天之久,海上活动几乎全部停止。渤海在1936年和1947年也曾发生过相当严重的冰情。

  海冰 - 监测方法

  目测法

  是海冰监测传统的基本观测方法。这种方法是根据海冰观测规范规定,依靠观测员的眼睛和经验进行观测,如冰量、流冰密集度,流冰冰状、固定冰状等。目测法所观测的内容,暂时还不能用其他观测方法完全代替,并且目测结果还是遥测法观测结果的分析依据,所以目测法继续沿用。

  器测法

  是同目测法相结合的方法。这种方法是借助工具和仪器,依靠观测员的操作和读数据,如冰厚、冰温、冰密度,堆集高度等。这些数据是遥测法观测结果进行量值定标处理的依据,所以器测法是海冰监测的重要方法。

  遥测法

  是应用现代科学技术建立的先进方法。这种方法可以完全依赖仪器本身进行观测,如利用卫星能及时、同步、大范围观测海冰。彩色海冰卫星图片则能直观地一目了然地展示海冰的分布情况。但是对冰厚、冰温等要素的观测,暂时远不如器测法准确。

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