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新研究表明关于冰如何断裂的旧规则可能并不总是成立的

放大字体  缩小字体 2021-05-29 14:57:29 来源:cnBeta.COM
新研究表明关于冰如何断裂的旧规则可能并不总是成立的

阿尔托大学的研究人员发现了强有力的证据,即暖冰,即温度非常接近零摄氏度的冰的断裂方式可能与通常在实验室或自然界研究的那种冰不同。 发表在《冰冻圈》上的一项新研究对这一现象进行了仔细研究,该研究在阿尔托校园内世界上最大的室内冰槽中进行。

了解冰是如何破裂的,对于确保凉爽气候下的安全港口和桥梁,以及通过历史上冰冻重灾区的运输至关重要。随着全球变暖给曾经可预测的季节性条件带来变化,支撑基础设施工程的规则正在受到跨国界和跨大陆的考验。

"我们需要研究暖冰,因为这是我们在自然界看到的;全球变暖正在发生。"论文的主要作者、阿尔托大学的博士生Iman El Gharamti说:"当冰是温暖的,而不是像我们传统研究的那样是寒冷的,冰的机械特性以及它对力的反应可能会有根本的不同。"

为了研究暖冰如何对反复的力量作出反应--在该领域被称为周期性机械负荷,它模拟了自然界的条件--该团队利用了阿尔托大学的冰罐。这个宽40米、长40米、深2.8米的盆地被认为是世界上最大的此类盆地。

液压装载装置悬挂在小车的挂钩上,小车可以垂直和水平移动。在这张图片中,它位于正在研究的3x6米冰层的左下角。阿尔托大学的冰罐被认为是世界上最大的同类设备。

通常情况下,冰裂缝的研究规模很小,通常只有10-20厘米长,温度为零下10摄氏度或更低。在这项研究中,研究小组使用了超过一英尺厚的3乘6米的淡水冰片。他们还精确地控制了周围的空气温度,用冰冻的术语来说,冰是温暖的-0.3摄氏度。

通过一个液压加载装置,该团队在冰上进行了多轮加载和卸载。该领域目前的理解表明,冰将显示粘弹性恢复--与即时的弹性反应分开,它是一种与时间相关的延迟弹性反应--在两次加载之间,至少在告诉设备施加足够的力来完全分裂冰之前。然而,在所提供的条件下,冰的表现出乎意料:它显示了一些弹性恢复,但根本没有明显的粘弹性恢复。事实上,冰被永久地变形了。

偏振光使每个冰粒都清晰可见,使研究人员能够看到裂缝的走向。结果显示,裂缝穿过了晶粒,而不是沿着晶粒的边界。

"我们通常在机械负载之间看到的是,冰在恢复,也就是弹回正常的形成状态,直到我们故意施加如此大的力,使它永久地裂开。在我们的研究中,每次加载后冰的变形越来越大,我们却没有检测到明显的延迟弹性恢复,"El Gharamti解释说。

主要的促成因素似乎是冰的温度。这项研究首次表明,暖冰的行为方式可能与通常研究的冷冰有根本的不同。

"冰没有表现出延迟的弹性反应这一事实不符合我们对冰如何应对反复的力的传统理解。"阿尔托大学固体力学教授Jukka Tuhkuri说:"我们相信,这是因为冰的颗粒在温暖时的行为方式不同,但我们仍然需要做更多的研究来找出其中的原因。"

由于像五大湖或波罗的海 - 世界上最繁忙的海洋区域之一这样的寒冷地区预计会越来越暖和,Tuhkuri说了解暖冰的力学原理至关重要。

"以前在波罗的海的一艘破冰船上进行的长期冰负荷测量显示,令人惊讶的是,最大的冰负荷发生在春天,当天气变暖的时候。如果我们的船只和基础设施,如桥梁和风力涡轮机,都是为相当可预测的季节设计的,那么我们需要知道当全球变暖带来新的条件时,会发生什么。看起来旧的规则可能站不住脚了。"

原标题:新研究表明关于冰如何断裂的旧规则可能并不总是成立的

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