冰橋是如何形成的？

北極熊想去海峽對面看看怎麼辦？大自然建冰橋來幫忙！新的理論成果預測了海冰阻塞狹窄海峽從而形成自然橋樑的條件。

撰文 Ana Lopes

翻譯 許雅瀾

審校 王騰

圖片來源：NASA Worldview

加拿大北極群島的海峽及水道幾乎每年冬天都會被大量的海冰堵塞，形成結冰的「橋樑」。這些自然形成的通道可以幫助北極熊及其他動物「探索新世界」——到達之前無法進入的區域。此外，冰橋也可以通過阻礙海冰漂入溫暖的海域而影響當地與全球氣候。然而我們對冰橋的形成所知甚少。來自普林斯頓大學的 Bhargav Rallabandi、Howard Stone 及其同事建立了一個理論模型，詳細描述了「冰橋」形成的某些必要條件。他們還指出，該模型可能同樣適用於密集顆粒流在受限環境中發生阻塞的情況。

研究團隊對一層海冰沿著一條狹窄海峽（類似白令海峽，長度遠大於寬度）的運動進行了模擬。該層海冰在作用於其頂面上的外部風力驅動下運動，但也受到水對其底面的阻力和內部應力的阻礙。研究人員假設，由海峽的寬度、冰區厚度和密實度共同決定的內部應力主導了海冰受到的水流阻力。在這種情況下，他們的理論模型預測：對於給定的風壓與海峽寬度範圍，冰橋只會在冰層的厚度和密實度超出臨界值時形成。在如今這個冰層變薄、風速下降、全球變暖的時代，這些臨界閾值可能有助於預測冰橋的形成與解體。

論文信息

【題目】Formation of wind-driven ice bridges in narrow straits

【作者】 B Rallabandi，Z Zheng，M Winton，H A. Stone

【日期】Published March 21, 2017

【摘要】Ice bridges are static structures composed of tightly packed sea ice that can form during the course of its flow through a narrow strait. Despite their important role in local ecology and climate, the formation and breakup of ice bridges is not well understood and has proved difficult to predict. Using long-wave approximations and a continuum description of sea ice dynamics, we develop a one-dimensional theory for the wind-driven formation of ice bridges in narrow straits, which is verified against direct numerical simulations. We show that for a given wind stress and minimum and maximum channel widths, a steady-state ice bridge can only form beyond a critical value of the thickness and the compactness of the ice field. The theory also makes quantitative predictions for ice fluxes, which are particularly useful to estimate the ice export associated with the breakup of ice bridges. We note that similar ideas are applicable to dense granular flows in confined geometries.

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