变化中的北极（64）冰花

张武昌  2023年4月2日星期日

序   曲

 2022年4月18日，期刊Oceanography出版了一个北极的专辑，其中有篇论文北冰洋水团结构和环流（Arctic Ocean watermass structure and circulation）用了一幅图作为文章的前页：

图中是加拿大破冰船CCGS Louis S. Lauternt (右）和CCGS Terry Fox（左）于2015年8月24日在北极点的合影。

这张照片的前景是一片平静的黑色“水面”，点缀着几朵冰花ice flower，而在“水面”周遭有粗糙的冰面，实际是冰花太多了造成的。这张照片被作者选用，很大程度上是为了突出北极点冰花这一奇特的现象。

冰   花

冰花ice flower，又叫霜花frost flower，本文以冰花来表示，是觉得霜花的个头有点小，而冰花个头较大，达到3-4厘米。

极地的土著人和探险家早就有冰花的记录，但是科学文献中出现冰花是在1988年，所以其实我们对冰花的认识比较晚近。

经过研究人们发现冰花所在的黑色“水面”非常特别，只有大约1 毫米的深度，其下面是小于5 厘米的冰层，称为暗冰Nilas（尼罗冰）。而那些冰花是被1毫米海水下面的暗冰支撑的，并不是漂浮在水面上。

冰花的形成

 科学家对冰花的形成条件进行了研究，目前已经大致了解了冰花形成的过程。

1991和1992年的3-4月间，科学家在阿拉斯加的海冰冰缝研究海水结冰的过程。起初，海洋都被海冰覆盖，但是海流和大风会使整块的海冰破裂，形成冰缝(lead)，露出下面的海水。由于空气温度很低，大约零下22度，冰缝中的海水会迅速结冰，当风平浪静的时候，就会形成冰花。

冰花形成的过程是这样的。

海水上覆的低温大气使得海水表面结冰和蒸发，空气中的水蒸气增加，海水结冰形成冰晶，冰晶中包裹的海水盐分增加，变成卤水brine，这些卤水有的沿着冰晶的空隙进入海洋中，如果冰晶中向下的空隙被堵死，随着冰晶空隙的减小，卤水（盐度高达100，普通海水盐度约30）就会被挤压到海冰的表层。形成了上述黑色“水面”，实际上的暗冰。这一过程需要2-6小时。

随着时间的流逝，夹在海水和卤水之间的冰层由于某种干扰形成了小肿瘤，向上凸起，露出了卤水面，被空气中的水蒸气发现后迅速集结成冰，导致肿瘤继续长大。

由于肿瘤的长高，卤水被表面张力牵引（灯芯效应）随着肿瘤的长高而攀附升高，在各种随机作用下，向各个方向延展，最终形成了千姿百态的冰花。

这个长大的过程有一个极限。随着海面结冰，大气水蒸气的唯一来源只有表层的卤水，随着水分的丢失，卤水厚度变小，最终化为冰面的白色盐碱hoar。而冰花也因为水蒸气枯竭而停止生长，停留在大约3-4厘米的高度。

冰花的形成需要特殊的气象条件，冰花形成后，会被降雪覆盖或被大风摧残而消失无踪，所以能在北极考察中遇到冰花，真正是好运气。

冰花的研究价值

冰花的表面卤水是特殊的生境，其中生活着大量的细菌，是极端环境生态学研究的一个重要生境。

冰花的独特生成过程会发生海水化学反应，向大气释放溴等气体，危害臭氧层（科学网—变化中的北极（57）退则炸弹气旋，进则臭氧空洞，进退两难的北极急流 - 张武昌的博文 (sciencenet.cn)），因此得到了大气化学家的关注。