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快3网投 冰冻圈物理钻研的新视野

中国网/中国发展门户网讯 冰冻圈物理钻研旨在探究冰冻圈各要素的物理性质、冰冻圈各要素形成与演化,以及冰冻圈与其他圈层相互作用等诸多过程中的物理机制,为冰冻圈科学钻研的各个方面挑供理论赞成;冰冻圈物理钻研是冰冻圈科学基础钻研的中央,贯穿于冰冻圈科学钻研的各个方面。

冰冻圈要素栽类较多,包括冰川(含冰盖)、冻土、积雪、河冰和湖冰、海冰、冰架、冰山、海底冻土,以及大气中的固态水等。这些冰冻圈要素因其物质构成、形成和发育条件、演化过程等存在迥异,其物理性质和各栽过程的物理机制有所迥异。另外,以前长时期内冰冻圈各要素的钻研都是相对自力发展,钻研历史不尽相通,发展也不屈衡。

随着冰冻圈科学体系的竖立,不光要编制性地从圈层团体起程开展冰冻圈物理钻研,也要对各个冰冻圈要素的物理过程不息深入钻研,钻研内容相等普及,迥异钻研内容的时空尺度和邃密程度也有很大迥异。所以,有必要按照学科发展的动态和国家壮大需求,对冰冻圈物理钻研的发展给予一些梳理和思考。

冰冻圈物理钻研的发展

一切冰冻圈要素中的中央物质是冰,晓畅冰的各栽物理性质是探究冰冻圈各要素物理过程的基本前挑。所以,可从冰物理学和冰冻圈各要素物理学两方面不详概述冰冻圈物理钻研的发展过程。

冰的基本物理性质

自古以来,人们对自然界普及存在的冰和雪并不生硬,尽管冰的一些稀奇特性一向吸引着人们的有趣,但对其基本物理性质的意识永远中止在肉眼不益看察和表面感知上。

近百年来,随着仔细仪器和实验技术的迅猛发展,冰因其特性在很多周围的行使敏捷添长,如冰冻圈科学、大气科学、地质和地球物理学、冰工程学、矮温生物学等,冰的微不益看结议和物理性质的相关钻研也得到了快速发展。20 世纪早期的实验不益看测清晰了自然界中的冰为六方晶体物质,冰在某些方面的性质与其他晶体物质(如某些金属和矿物等)具有肯定程度的相通性。20 世纪 40 年代后期,冶金学和原料力学等钻研方法的引入,使得对冰的物理性质和力学特性的实验钻研得以普及开展。到 20 世纪 50 年代末,钻研人员已清晰了冰的基本力学特性,揭示出冰固然行为固体具有刚体脆性,但在高温下(自然界的冰都较为挨近熔点)尽管还有肯定的弹性,其塑性特征却是最主要的,且主要变形属于蠕变周围,可外述为幂函数蠕变规律。与此同时,对冰的其他物理性质的实验不益看测也大量开展,到 20 世纪 60—70 年代快3网投,钻研人员对冰的各栽物理性质已经有了大致晓畅快3网投,这奠定了冰物理性质的基本概念。

冰的物理性质受多栽因素的影响快3网投,如温度、受力状况、杂质成分和含量,以及冰的组织(如组构特征、晶粒尺寸、密度、气泡等)等。倘若是庞大冰体,这些影响因素往往在空间上不均一,在时间上也有转折;所以,对各栽各样冰体物理性质的现场不益看测和实验钻研一向在赓续追求中。这使得冰的物理性质的基本概念不息完善,各栽类型冰的实验不益看测数据也得以不息雄厚。

冰冻圈主要要素物理特征钻研

由于冰冻圈迥异要素的主要物理过程不尽相通,对其物理特征的钻研重点也有迥异,但总体上主要以水-炎和动力过程为主。

冰川物理特征钻研。在冰川动力学方面。就冰川来说,冰体起伏及其相关过程是最为中央的内容。所以,19 世纪以前就已有对冰体起伏机理的追求。然而,由于对于冰的微不益看结议和流变特性的意识不是很清亮,关于冰川行动的机理永远处于各栽倘若和争吵中。直到 20 世纪中期,冰的蠕变规律的大量实验效果涌现以后,钻研人员才对冰川的起伏机制有了相反的意识,竖立了冰体在自重作用下的蠕变变形和当底部温度达到或挨近熔点时的滑动行动的基本理论。由于冰的实在变形规律为幂函数,在冰川行动模拟中的数学处理特意难得,所以用理想塑性体或黏性流体近似描述冰体变形也比较远大。在冰川炎力学方面。冰川炎力学钻研也有较长历史,首初主要以温度场描述开展,后来则是陪同冰川动力学钻研将其耦相符到冰体动力学模拟钻研中,冰川表面能量均衡和物质均衡也由统计经验模式向物理模式、由单点向分布式模式发展。

冻土物理特征钻研。冻土物理特征的重点是土壤冻融过程中水-炎输运的耦相符机制和冻土力学特性。相比于冰川钻研,冻土钻研历史较短,尤其是冻土区工程相关题目钻研于 20 世纪中后期才敏捷发展首来。水-炎耦配相符用是冻土学钻研的中央科学题目,主要由于水分迁移和相变对温度首着决定性影响,温度及其梯度又直接影响土壤水分迁移及相变。冻土力学既是冻土物理学的主要内容之一,又是冻土学的一个主要分支,因其是处理冻土工程题目的基础,一向受到特殊偏重。由于冻土的物质构成极为复杂多样,正冻土和正融土中的水-炎过程也陪同着力学过程,从而引首土体的冻胀和融沉。所以,水-炎-力三场耦相符成为了冻土钻研的内心题目。又由于土体中和水分中常含有盐分,盐分介入对水-炎-力三场耦配相符用机制具有极大影响,从而也影响着土体的冻胀和融沉,所以近年来水-炎-力-盐四场耦相符题目受到关注。冻土物理特征的钻研更多倚赖于实验室各栽土体样品的不益看测和实验。

积雪物理特征钻研。积雪物理特征钻研往往与气象学和水文学相关在一首。由于积雪的存在转折了地外行为大气下垫面的特性,稀奇是雪面的高逆照率对地外能量均衡有主要影响,而积雪消融又是地外水文过程的一个主要方面。积雪物理特征钻研的重点是迥异类型积雪转折过程中的各栽物理特性定量描述、雪的粒雪化过程、在温度梯度作用下雪层内水汽迁移及再凝结、深霜及雪板的形成、雪的光学性质和积雪消融等。受监测手法制约,早期的钻研以积雪的主要物理特性和转折特征的定性描述和分类居多,随着遥感行使及数值模拟的发展,积雪的能量和质量迁移模式不息优化。

海冰物理特征钻研。海冰的物理特征钻研历史也较短,可分为 2 个方面。大周围海冰(主要是北极海冰和南极海冰)的形成和演化过程的物理机制。重点描述海冰相关的物理参数分布,为竖立海冰模式和展望其转折服务。其中,北极海冰钻研历史相对较长,但也基本在百年以内,这方面钻研中炎力学内容占的比重较大,主要基于能量均衡和物质均衡来开展。较早钻研因受实地监测原料节制,对某个参数的松散钻研较多。20 世纪 90 年代初以来,随着遥感行使的发展,大周围多参数实时监测原料敏捷雄厚,对海冰各栽物理参数和相关过程的编制钻研快速发展。针对海冰工程题目的物理特性钻研。以冰力学为主要内容,实验钻研较为特出。这方面钻研因主要针对港口等仔细工程题目,相对比较松散。

河冰物理特征钻研。主要针对河冰的形成、消消融体及冰凌题目,以冰的炎力学和河流水力学的耦相符为重点。相比于冰冻圈其他要素,河冰物理钻研历史较短,针对工程和灾难的钻研特点比较特出。相对来说,北美的钻研历史较长,但也主要是 20 世纪中期以后才发展首来。

概括来说,20 世纪中后期是冰物理和冰冻圈物理过程钻研迅猛发展的时期,冰的基本物理性质和冰冻圈各要素物理过程的基本概念得以大致清晰。早期冰冻圈各要素钻研相对比较自力,21 世纪以来冰冻圈多要素综相符钻研得到偏重。

冰冻圈转折及其影响的钻研亟待物理学过程邃密化钻研的声援

在冰冻圈科学钻研中,冰冻圈如何转折及其会产生怎样的影响是最受关注的科学题目。冰冻圈的模拟和冰冻圈与其他圈层相互作用的模拟,决定了对冰冻圈转折及评估其转折所产生影响的展望,而这些模拟钻研的基础就是对冰冻圈所涉及的各个物理过程的描述。对冰冻圈相关物理过程描述的实在性和邃密程度决定着模拟效果的郑重性,所以冰冻圈物理钻研在声援冰冻圈转折和影响模拟方面的发展必要重点强化。

冰冻圈物理参数的获取能力亟待升迁

深入理解冰冻圈物理过程和模拟钻研,必要周详、编制的监测数据,有余长的监测时间,以及更高的监测效果和数据共享能力。 完善地面监测网络。在现有监测网络基础上,完善监测地点组织,优化监测设备和数据采集编制,挑高地面监测能力。 发展自立遥感和空基监测手法。研发和搭载冰冻圈卫星遥感传感器,同时研发和行使航空监测技术,挑起飞-天监测能力。 挑高数据传输和数据库行使能力。发展并竖立地面监测数据传输编制,竖立遥感和航空监测数据融相符编制;经过大数据和云计算等新技术的行使,添速研发数据产品,达到数据共享,挑高对冰冻圈物理学过程和模拟钻研声援的效果。

冰冻圈实验室建设及钻研亟待编制性强化

实验室钻研是冰冻圈物理学钻研中至关主要的环节。经过实验室内的样品测试和模拟实验等一系列钻研,可达到准确测量某些主要物理参数、不益看察主要的物理过程、揭示某些参数之间相互影响等方面的现在标。实验室钻研在科研条件上必要很大的经费投入,如建造实验室、竖立各栽实验环境控制编制、配备相关的仪器设备等;所以,现在冰冻圈实验室主要以幼型和松散的实验钻研为主,偏重于对样品某些物理参数的测定和单一物理过程的实验不益看测。由于自然界的冰冻圈转折是各栽物理过程综配相符用的效果,经过实验室人为控制环境条件来考察 2 栽或多栽物理过程,揭示几栽主要物理过程之间的相互影响,对竖立冰冻圈模拟耦相符模式相等必要。所以,必要强化实验室建设,稀奇是要着力发展实体模拟实验和相通性模拟实验钻研。

实体模拟实验室是冰冻圈实验室钻研的发显现在标之一。实体模拟实验能够是单个现在标或单个参数的模拟实验,如风吹雪的首动和行动实验、静态水和起伏水体结冰实验等;也能够是具有肯定综相符性特征的实验,如冻土冻胀-融沉及转折过程实验、迥异样式河冰与水流相互作用实验等。这类实验钻研的特点是能够在人为控制条件下实在表现必要钻研的物理过程,以便竖立比较实在的相关参数之间的定量相关。由于在室内很难将一个完善的冰冻圈要素或者很大一片面实体表现,建造与自然状态具有相通性的模拟体进走不益看测钻研是实验室钻研的发显现在标之一。比如,要邃密地晓畅冰川、海冰和河冰等行动过程,能够在室内按几何相通和物理相通原则建造相通性模型,经过人为控制坡度、水流、压力、温度等条件进走相通性样本行动过程不益看测。

冰冻圈多模式以及与其他圈层模式的耦相符钻研需周详结相符

如前所述,冰冻圈转折及其影响是多栽物理过程的综相符表现,所以对其钻研迫切必要多模式耦相符以挑高冰冻圈转折和影响的定量化程度。

在冰冻圈自己的模拟方面,能量-物质均衡、力学-动力学与炎力学过程、水分迁移和炎量传递等很多过程都是相互影响的;所以,要实在地描述某一个过程,必须要考虑与之亲昵相关的另外过程。例如,对冰川行动来说,温度不光是冰的蠕变变形中至关主要的参数,也决定着冰川底部的行动和动力学条件,而冰的答变和冰体滑动又会产生炎量从而转折温度;所以,要想很益地描述冰川动态转折,就必要将冰川动力学模式与炎力学模式耦相符首来。物质均衡是冰川转折的驱动因子,要获得比较实在的物质均衡时空转折,必须倚赖分布式能量-物质均衡模式;冻土中的水和炎更是密不能分,发展水分迁移和炎量传递的耦相符模式钻研是冻土模式钻研的中央,而冻土的力学题目也与冻土水-炎过程亲昵相关;积雪转折不光涉及能量均衡,还涉及到融水下渗和流失等过程;海冰消长虽取决于表面和内部的能量-物质均衡过程,但与海水之间的相互作用也极为主要。

由于冰冻圈是在气候环境等条件转折的驱动下发生转折,逆过来其转折又影响气候、水文、生态等,在冰冻圈转折和影响钻研中,必然要将冰冻圈与其他圈层的模式钻研进走耦相符。以前长时期内,一方面冰冻圈各要素模式发展不屈衡,另一方面因冰冻圈与气候编制其他圈层的模式钻研在时空尺度和分辨率上不足匹配,冰冻圈模式与其他圈层模式钻研的耦相符挺进缓慢。所以,异日必要将冰冻圈模式钻研与其他圈层模式钻研周详结相符,促进冰冻圈转折及其影响钻研的发展。

强化冰冻圈物理钻研是推进冰冻圈灾难和服务钻研的关键

冰冻圈科学发展的一个主要倾向是将冰冻圈钻研与社会经济发展周详结相符,为解决国家壮大需乞降地方的可赓续发展服务。按照吾国冰冻圈分布状况及其影响区域,以及国家对冰雪行动产业的需求,近期内冰冻圈物理钻研答主要针对冰冻圈灾难防治和冰冻圈服务来开展。

冰冻圈灾难物理机制和防治措施技术钻研

冰冻圈灾难栽类众多,分布普及。在气候变暖背景下,冰冻圈快速转折特征清晰,冰冻圈灾难频发的风险和影响日趋主要。稀奇是近年来冰川跃动、冰崩、冰湖溃决、洪水、冰川泥石流、多年冻土滑塌等造成的危害剧添;风吹雪和雪崩、冰冻雨雪及暴风雪、河流冰凌等灾难也引首更多关注。现在,对这些灾难分布的调查、危险性评估和风险管控钻研虽已有开展,但仍匮乏对可采取的工程防治措施的钻研。随着冰冻圈灾难发生概率的添剧,相关工程防治措施将成为必要的选择。为此,答当针对冰冻圈灾难发生的机理、工程措施中的关键物理参数、灾难过程模拟和工程效果实验等开展编制钻研,为灾难的防治挑供基础科学赞成。

冰冻圈服务——冰雪体育和冰雪旅游产业中的冰雪物理钻研

冰雪体育和大多冰雪娱笑活动所以冰雪为界面的第三产业新兴产品,属于冰冻圈人文服务。迥异类别的冰雪产业对冰雪物理性质具有迥异的请求。吾国冰雪资源雄厚,冰雪体育和冰雪旅游产业的发展具有汜博前景。尤其所以 2022 年北京冬季奥林匹克行动会为契机,推动吾国远大民多参与冰雪体育和发展冰雪旅游产业已成为全社会的共识。现在,以滑雪场建设为标志的冰雪体育和旅游产业已繁盛崛首,全国已建成运营的滑雪场达上千个,还有更多滑雪场正在筹建或计划中。但是,与国外相比,吾国单个滑雪场的周围、质量、运营效果都远大矮下,稀奇是雪道和雪质不足规范。从体育赛事角度来望,行为吾国雪上行动训练基地的历史较长的东北地区某些滑雪场,甚至是北京冬奥会张家口赛区滑雪场,在如何使雪道和雪质已足请求、保证赛事完善也存在挑衅。所以,必要开展冰雪物理基础钻研以为其挑供科学赞成,主要钻研内容包括:迥异温度、湿度和压力(包括风速)等组相符条件下雪粒的形成,粒径、密度、水分和硬度等的转折,雪层内部黏聚力和表面摩擦特性,风雪流和雪雾的影响,人工雪技术指标,以及迥异周围储雪技术等。如有必要,还能够开展滑冰场建设和维护中的相关冰物理参数方面的钻研。

20 世纪中后期是冰冻圈物理钻研敏捷发展的时期,冰的基本物理性质和冰冻圈各要素主要物理特征的基本概念得以确定。20 世纪末以来,冰冻圈对气候环境的主要作用使气候学成为冰冻圈钻研的主线,特意的冰冻圈物理钻研开展较少。现在,随着冰冻圈科学体系的构建,冰冻圈转折及其影响的定量钻研,以及冰冻圈为社会经济发展服务等多个方面都迫切必要对冰冻圈物理过程给予更深入的钻研,某些钻研内容更必要进一步清晰冰和雪的微不益看物理性质和相关过程。能够说,冰冻圈科学的发展和人类社会可赓续发展的需求对冰冻圈物理钻研挑出了新的请求。冰冻圈物理钻研近期主要发展倾向为:着力挑高监测技术和数据获取能力,开展实验室实体和相通模拟钻研,发展多圈层耦相符模式,以及进一步开展冰和雪微不益看物理过程邃密化钻研等。(作者:任贾文 中国科学院西北生态环境资源钻研院钻研员、博士生导师。《中国科学院院刊》供稿)

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