記者探訪了芬蘭的阿爾托冰與波浪水池——全球最大的海冰研究設(shè)施，看看科研人員如何模擬地球上最嚴(yán)酷的環(huán)境。

位于芬蘭埃斯波的阿爾托冰與波浪水池長(zhǎng)寬各40米，是全球表面積最大的冰水池。從去年開(kāi)始，它也成為世界上唯一一個(gè)能在生成海冰的同時(shí)制造多向波浪場(chǎng)的寬體冰水池。

今年三月，媒體記者在水池旁見(jiàn)到了阿爾托大學(xué)冰力學(xué)副教授阿爾圖·波洛耶爾維。他在這里工作了20年，而全世界目前僅有五六個(gè)類(lèi)似的設(shè)施在運(yùn)行。波洛耶爾維告訴我：“這讓我們能夠完成一些在其他地方幾乎無(wú)法開(kāi)展的工作。”

這項(xiàng)工作正變得越來(lái)越緊迫。

“即使冰變少了，”他補(bǔ)充道，“活動(dòng)卻變多了。”越來(lái)越多的船只駛?cè)胨鼈儧](méi)有能力應(yīng)對(duì)的冰區(qū)

海上風(fēng)電正在向冰封的海域推進(jìn)。僅波羅的海一地，就有數(shù)十吉瓦的在建海上風(fēng)電容量規(guī)劃，而芬蘭幾乎所有的貿(mào)易都要經(jīng)過(guò)每年冬天都會(huì)封凍的港口。

讓冰從下往上生長(zhǎng)

自然界的冰是從上往下生長(zhǎng)的。水面先凍結(jié)，冰層向下增厚。而在水池里，這個(gè)過(guò)程是反著來(lái)的。

一個(gè)被稱為“橋”的巨大橙色結(jié)構(gòu)沿著軌道在水面上方移動(dòng)。它的下方懸掛著一根黑色的管子。波洛耶爾維解釋說(shuō)：“我們實(shí)際上是在空氣中噴灑一種摻了乙醇的極細(xì)水霧。”這些液滴在墜落過(guò)程中凍結(jié)，落到水面，堆積成薄薄的一層。橋移動(dòng)、噴灑，冰層隨之增厚，直至達(dá)到目標(biāo)厚度，通常在2.5到7.5厘米之間。

實(shí)驗(yàn)大廳的溫度保持在零下11或12攝氏度左右。一旦冰層達(dá)到所需厚度，就會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)溫度來(lái)鞏固冰的物理特性。波洛耶爾維說(shuō)：“這是一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，能讓我們真正實(shí)現(xiàn)對(duì)冰的精確控制。”乙醇讓空氣中帶著一股淡淡的溶劑味，每隔幾年，就會(huì)有數(shù)千升乙醇被加入水池，任其緩慢蒸發(fā)。

實(shí)驗(yàn)通常按1:30的比例進(jìn)行，船模的體積在5升左右。冰需要復(fù)現(xiàn)的是真實(shí)海冰的力學(xué)特性，而非其絕對(duì)的硬度，因此有意做得很脆弱。波洛耶爾維說(shuō)：“你基本上可以走進(jìn)水池，用手穿過(guò)冰層撈起一些冰，手感幾乎像雪泥。它不是那種非常堅(jiān)硬的冰，但具有按比例縮放后的冰特性。”

盡可能采用最大尺寸進(jìn)行試驗(yàn)是一種刻意的選擇。“如果我們的模型很大，那么很容易推算出真實(shí)結(jié)構(gòu)所承受的全尺度冰載荷是多少，”波洛耶爾維說(shuō)。模型越小，這種換算就越困難，得出的結(jié)論也越不可靠。

水池按設(shè)計(jì)能制造出均勻的冰場(chǎng)，這既是優(yōu)勢(shì)，也是局限。真實(shí)的海冰并非均質(zhì)，它有鹽度變化和結(jié)構(gòu)雜質(zhì)，而這些都是水池?zé)o法復(fù)制的。“光是均質(zhì)材料就已經(jīng)讓問(wèn)題變得非常復(fù)雜了，如果再在此之上疊加材料本身的變異性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀將變得極為困難，”波洛耶爾維說(shuō)。

標(biāo)準(zhǔn)的做法是先用潔凈冰域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證計(jì)算模型，然后在模擬中引入可控的變異性。水池也能制造冰脊——即冰原相互碰撞擠壓形成的堆積體，可向下延伸數(shù)十米深，不過(guò)這并非常規(guī)操作，只是偶爾為之。

每一片冰層都需要一整天的生長(zhǎng)時(shí)間。測(cè)試在第二天進(jìn)行，首先是對(duì)從冰層上切下的冰梁進(jìn)行抗彎強(qiáng)度、楊氏模量和抗壓強(qiáng)度的測(cè)量。然后持續(xù)試驗(yàn)，直到水池中漂滿碎冰。橋把這些碎冰推向一個(gè)帶坡度的排水口，碎冰會(huì)進(jìn)入辦公室下方的融冰池，水被回收利用，然后整個(gè)過(guò)程重新開(kāi)始。正常節(jié)奏是每周造兩片冰，三片也可以，但那需要有人在周日加班。

設(shè)施內(nèi)沒(méi)有窗戶。任何自然光都會(huì)引發(fā)水中的生物生長(zhǎng)，影響水下能見(jiàn)度，而這本身就是實(shí)驗(yàn)中最難控制的變量之一。波洛耶爾維解釋說(shuō)，盡管如此，每隔幾年，水還是會(huì)變得渾濁，屆時(shí)就必須把整個(gè)水池排空再重新注滿。

冰對(duì)船舶究竟有什么影響

大多數(shù)沒(méi)在這個(gè)領(lǐng)域工作過(guò)的人，會(huì)把冰想象成一個(gè)障礙物，一艘船要從中穿過(guò)。“它會(huì)對(duì)船舶產(chǎn)生阻力，讓船難以移動(dòng)，這時(shí)就需要更大的動(dòng)力，”波洛耶爾維說(shuō)。

最壞的情況是船停下來(lái)，被困住。如果再加上冰漂移——即風(fēng)和洋流推動(dòng)的冰原運(yùn)動(dòng)——一艘被困的船最終可能不是穿冰而行，而是隨冰而動(dòng)。在極端惡劣的情況下，冰會(huì)刺穿船體。“那甚至可能帶來(lái)災(zāi)難性的后果，”他補(bǔ)充道。

“我們可以進(jìn)行船舶操縱試驗(yàn)，讓船做大角度轉(zhuǎn)彎，真正測(cè)試它們不但能直線航行，也能順利轉(zhuǎn)彎的性能，”波洛耶爾維說(shuō)。破冰船開(kāi)辟出航道后，船舶需要從中駛出，這種“出航道”操作也能在此測(cè)試，而大多數(shù)冰水池?zé)o法容納這樣的試驗(yàn)。

越來(lái)越受關(guān)注的被研究船舶并非破冰船，而是那些為開(kāi)闊水域優(yōu)化設(shè)計(jì)、卻最終仍進(jìn)入冰區(qū)航行的船只，其船員往往在這些條件下經(jīng)驗(yàn)有限。“越來(lái)越多的船需要破冰船援助，因?yàn)樗鼈兏静痪邆湓诒泻叫械哪芰Γ辈逡疇柧S說(shuō)。

冰本身也在發(fā)生變化，這使情況更加復(fù)雜。“冰實(shí)際上非常接近其融點(diǎn)，從工程角度來(lái)看，這讓與它打交道變得極具挑戰(zhàn)性，”波洛耶爾維說(shuō)，“這是一種行為特性極難把握的材料。”隨著氣候變暖使海冰溫度升高，其力學(xué)特性正以人們尚未完全理解的方式發(fā)生著改變。

冰凍海面上的風(fēng)力渦輪機(jī)

“如果我們想擁有一個(gè)無(wú)碳的芬蘭，或任何一個(gè)北方國(guó)家，就必須開(kāi)始在冰封的海域建設(shè)海上風(fēng)電，”波洛耶爾維說(shuō)。芬蘭國(guó)防軍限制了東部邊境附近的風(fēng)能開(kāi)發(fā)，這促使規(guī)劃中的風(fēng)電場(chǎng)向北推移，而那里的冰情更加嚴(yán)重。

“海上風(fēng)力渦輪機(jī)是一種很有趣的工程結(jié)構(gòu)，它們體量巨大，卻又非常纖細(xì)，容易產(chǎn)生振動(dòng)并切實(shí)地對(duì)環(huán)境作出響應(yīng)，”他說(shuō)。對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)，海冰是極端的載荷。了解冰會(huì)施加多大的力，以及渦輪機(jī)的響應(yīng)如何反過(guò)來(lái)改變這種載荷，正是水池中風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)驗(yàn)正在攻克的課題。

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)還可能改變局部的冰動(dòng)力學(xué)特征，這是芬蘭交通部門(mén)幾年前就提出的擔(dān)憂。一個(gè)單獨(dú)的風(fēng)電場(chǎng)就能覆蓋數(shù)百平方公里，包含上百臺(tái)渦輪機(jī)。

波洛耶爾維已構(gòu)建了整個(gè)波羅的海的地球物理仿真模型來(lái)模擬這個(gè)問(wèn)題：可以讓船舶在其中航行，改變冰情和風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。“如何讓風(fēng)能生產(chǎn)與冬季航運(yùn)相兼容，”他說(shuō)，“是一個(gè)挑戰(zhàn)。”目前尚無(wú)針對(duì)此問(wèn)題的立法。

米級(jí)尺度的建模

波洛耶爾維的團(tuán)隊(duì)使用離散元建模方法，以米級(jí)分辨率模擬大約100公里乘100公里的海域。“這意味著我們無(wú)需在大范圍區(qū)域內(nèi)對(duì)冰的性質(zhì)進(jìn)行平均化處理，”他說(shuō)，“我們實(shí)際上可以對(duì)海冰行為進(jìn)行米級(jí)尺度的研究。”

模擬結(jié)果會(huì)反饋回水池的物理實(shí)驗(yàn)中，模型也需借助水池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，然后才被用于研究水池?zé)o法在物理上復(fù)現(xiàn)的條件和尺度。

當(dāng)被問(wèn)及即便如此規(guī)模，什么實(shí)驗(yàn)仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，他并沒(méi)有給出一個(gè)明確的答案。“作為一個(gè)研究者，我傾向于認(rèn)為我們可以做任何類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)；這在很大程度上取決于你如何對(duì)特定問(wèn)題進(jìn)行縮尺處理。”他說(shuō)，能將多大尺度的海冰動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)水池，同時(shí)仍能獲得可靠的結(jié)果，是他們?nèi)栽谔剿鞯氖虑椤?/p>

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