案例分享|了解南极冰架流动中的潮汐机制

CAE大拿

南极洲大陆覆盖了地球的南极，其面积大约相当于欧洲，被厚达3英里的巨大冰原所覆盖，是地球上最荒凉、最冷也是最美丽的地方之一。 除了几千名工程师和科学家以外，南极洲很少有人居住，是一个相对原始和未被开发的环境，其中包含了许多反映数万年前地球大气和气候的冰记录。 南极洲也提示气候变化对世界以及我们所有人所依赖的复杂生态系统可持续性的影响。 我们可以从20世纪80年代南极洲的臭氧层枯竭事件中清楚地看到了这一点，当时人类采取了紧急措施来限制氯氟烃气体的使用以帮助修复正在出现的大气空洞。

自从前往南极探险的英雄时代开始的一个世纪以来，南极大陆仍然是地球上最危险和最难到达的地方之一。 南极冰原坐落在这片隐藏大陆上； 巨大的冻结冰库，厚度达4公里，其中包含的水足以使全球海平面上升58米。 这种表面几乎完全是平坦而静止、实际上由快速流动的冰河组成的景象，被称为“冰流”。 那些狭窄的冰流区域将冰运到海岸，并在那里变薄，最终在浮力作用下从河床上抬起，形成了遍布整个大陆大部分地区的浮冰架。
在过去的几十年中，南极冰盖在迅速地消失，这主要是由于海洋温度升高而导致下方冰架的融化增加了。 了解气候变化如何影响南极冰原已经成为气候科学中的一个关键问题。然而，尽管该问题在地球系统中发挥着重要作用，并且随着冰不断的融化可能使世界上很大一部分人口流离失所， 但我们对当前和未来冰架融化的物理过程的了解还是非常有限（1）。
我们对冰流如何快速流过河床了解的很少，这也许对于冰川学而言最根本的问题也是对计算机建模工作而言最大问题。 钻探到冰流的底部直接观察是一项艰巨的技术挑战，并且只能得到少量测量结果。导致的结果就是冰盖建模的工程师必须使用参数化的形式来描述众多可能的过程，这些被称为“基底滑动定律”的过程决定了冰流在下层沉积物上滑动或变形的速度。 因此，测试这些参数化的有效性变得至关重要，但是目前为止还没有可靠的方法。
科学的进步通常是通过解释与当前理解不符的观察结果而取得的，在南极洲有一个引人注目的例子。 20世纪末期，在南极西部流入Filchner-Ronne大冰架的拉特福德冰流上布置了数个GPS系统。这个冰架的面积大约等于瑞典的面积（图1）。

图 1 : 地图显示了Filchner-Ronne冰架和毗邻的冰流以及GPS测量的位置

这些GPS系统离海岸很远，它们告知人们在不同的海洋潮流频率下，冰流的流速表现出强烈的差异性。 更令人惊讶的是，最强的潮汐部分的频率甚至在邻近的海洋中都无法测量到。 最近，我们发现，对于流入Filchner-Ronne冰架的冰流以及整个冰架本身，都存在相同的现象。这是目前对冰流的认知所无法解释的观察结果。

这样，海洋潮汐和冰盖的响应就可以作为一组大自然的实验，通过填补这一知识空白，我们可以获得对冰流新的见解，另外，有助于约束基底滑动定律的形式。

到目前为止，在该领域的进展还很有限。 这些潮汐过程是在数小时或数天的时间内发生的，这就带来了一个真正的问题。目前，冰盖模型只是对冰变形的粘性成分进行建模，因为冰盖建模的工作主要集中在可以忽略短期影响因素的几十年至几个世纪的预测。 不仅如此，大多数方法都使用薄板类型的近似值来模拟冰流，而忽略某些应力分量，这些分量对于确定“长期”冰流并不重要。 现在，我们发现了MSC Software的Marc软件非线性有限元仿真的强大功能。 它具有在不忽略任何应力项的情况下准确、快速地解决非线性粘弹性材料性能的能力，因此可以解决许多原来无法仿真的问题。

为了解释这些不寻常现象，我们使用在MSC Marc前后处理器 Mentat的网格划分功能创建了Rutford冰流模型，并加上了海洋潮汐（图2）。 结果发现，这些潮汐在冰流与海洋汇合的铰链线处产生复杂的弯曲应力和纵向应力。 这些应力通过与下层沉积物的相互作用向上游传递。

图 2: Marc有限元模型的概览、求解结果、使用的二次五面体元素、模型垂直放大斜视图（绘有由默认设置实验仿真得到平均冰速）

通过仿真，我们发现，要复制观察到的信号的振幅和从海岸上游传播的距离是非常困难的。 实际上，只有在冰流下方有一个传导率很高的排水系统时才有可能。 在较小的格陵兰冰原中很容易发现这样的排水系统，融化的水通过排水系统被输送到海岸，但是在南极洲，这样的排水系统的存在证据很少，因此也很少在大型模型仿真中使用。 我们的仿真结果表明，不仅应该把它们考虑在内，而且可以使用潮汐观测等推断水力传导率。

使南极冰科学家感到困惑的另一个谜团是，冰架本身的水平流动受到海潮的强烈影响。 实际上，这是非常强烈的，以至于在某些地方，潮汐变化会导致冰架周期性地倒流！

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