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施，看看科研人員如何模擬地球上最嚴酷的環境。

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

今年三月，媒體記者在水池旁見到了阿爾托大學冰力學副教授阿爾圖·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類似的設施在運行。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法開展的工作?！?/p>

這項工作正變得越來越緊迫。

“即使冰變少了，”他補充道，“活動卻變多了。”越來越多的船只駛入它們沒有能力應對的冰區

海上風電正在向冰封的海域推進。僅波羅的海一地，就有數十吉瓦的在建海上風電容量規劃，而芬蘭幾乎所有的貿易都要經過每年冬天都會封凍的港口。

讓冰從下往上生長

自然界的冰是從上往下生長的。水面先凍結，冰層向下增厚。而在水池里，這個過程是反著來的。

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

實驗大廳的溫度保持在零下11或12攝氏度左右。一旦冰層達到所需厚度，就會通過調節溫度來鞏固冰的物理特性。波洛耶爾維說：“這是一個關鍵過程，能讓我們真正實現對冰的精確控制?！币掖甲尶諝庵袔е还傻娜軇┪叮扛魩啄?，就會有數千升乙醇被加入水池，任其緩慢蒸發。

實驗通常按1:30的比例進行，船模的體積在5升左右。冰需要復現的是真實海冰的力學特性，而非其絕對的硬度，因此有意做得很脆弱。波洛耶爾維說：“你基本上可以走進水池，用手穿過冰層撈起一些冰，手感幾乎像雪泥。它不是那種非常堅硬的冰，但具有按比例縮放后的冰特性?！?/p>

盡可能采用最大尺寸進行試驗是一種刻意的選擇?！叭绻覀兊哪Ｐ秃艽?，那么很容易推算出真實結構所承受的全尺度冰載荷是多少，”波洛耶爾維說。模型越小，這種換算就越困難，得出的結論也越不可靠。

水池按設計能制造出均勻的冰場，這既是優勢，也是局限。真實的海冰并非均質，它有鹽度變化和結構雜質，而這些都是水池無法復制的?！肮馐蔷|材料就已經讓問題變得非常復雜了，如果再在此之上疊加材料本身的變異性，實驗結果的解讀將變得極為困難，”波洛耶爾維說。

標準的做法是先用潔凈冰域的實驗結果驗證計算模型，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，可向下延伸數十米深，不過這并非常規操作，只是偶爾為之。

每一片冰層都需要一整天的生長時間。測試在第二天進行，首先是對從冰層上切下的冰梁進行抗彎強度、楊氏模量和抗壓強度的測量。然后持續試驗，直到水池中漂滿碎冰。橋把這些碎冰推向一個帶坡度的排水口，碎冰會進入辦公室下方的融冰池，水被回收利用，然后整個過程重新開始。正常節奏是每周造兩片冰，三片也可以，但那需要有人在周日加班。

設施內沒有窗戶。任何自然光都會引發水中的生物生長，影響水下能見度，而這本身就是實驗中最難控制的變量之一。波洛耶爾維解釋說，盡管如此，每隔幾年，水還是會變得渾濁，屆時就必須把整個水池排空再重新注滿。

冰對船舶究竟有什么影響

大多數沒在這個領域工作過的人，會把冰想象成一個障礙物，一艘船要從中穿過?！八鼤Υ爱a生阻力，讓船難以移動，這時就需要更大的動力，”波洛耶爾維說。

最壞的情況是船停下來，被困住。如果再加上冰漂移——即風和洋流推動的冰原運動——一艘被困的船最終可能不是穿冰而行，而是隨冰而動。在極端惡劣的情況下，冰會刺穿船體。“那甚至可能帶來災難性的后果，”他補充道。

“我們可以進行船舶操縱試驗，讓船做大角度轉彎，真正測試它們不但能直線航行，也能順利轉彎的性能，”波洛耶爾維說。破冰船開辟出航道后，船舶需要從中駛出，這種“出航道”操作也能在此測試，而大多數冰水池無法容納這樣的試驗。

越來越受關注的被研究船舶并非破冰船，而是那些為開闊水域優化設計、卻最終仍進入冰區航行的船只，其船員往往在這些條件下經驗有限。“越來越多的船需要破冰船援助，因為它們根本不具備在冰中航行的能力，”波洛耶爾維說。

冰本身也在發生變化，這使情況更加復雜。“冰實際上非常接近其融點，從工程角度來看，這讓與它打交道變得極具挑戰性，”波洛耶爾維說，“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，其力學特性正以人們尚未完全理解的方式發生著改變。

冰凍海面上的風力渦輪機

“如果我們想擁有一個無碳的芬蘭，或任何一個北方國家，就必須開始在冰封的海域建設海上風電，”波洛耶爾維說。芬蘭國防軍限制了東部邊境附近的風能開發，這促使規劃中的風電場向北推移，而那里的冰情更加嚴重。

“海上風力渦輪機是一種很有趣的工程結構，它們體量巨大，卻又非常纖細，容易產生振動并切實地對環境作出響應，”他說。對于這樣的結構，海冰是極端的載荷。了解冰會施加多大的力，以及渦輪機的響應如何反過來改變這種載荷，正是水池中風力渦輪機實驗正在攻克的課題。

大規模風電場還可能改變局部的冰動力學特征，這是芬蘭交通部門幾年前就提出的擔憂。一個單獨的風電場就能覆蓋數百平方公里，包含上百臺渦輪機。

波洛耶爾維已構建了整個波羅的海的地球物理仿真模型來模擬這個問題：可以讓船舶在其中航行，改變冰情和風電場結構?！叭绾巫岋L能生產與冬季航運相兼容，”他說，“是一個挑戰?！蹦壳吧袩o針對此問題的立法。

米級尺度的建模

波洛耶爾維的團隊使用離散元建模方法，以米級分辨率模擬大約100公里乘100公里的海域?！斑@意味著我們無需在大范圍區域內對冰的性質進行平均化處理，”他說，“我們實際上可以對海冰行為進行米級尺度的研究?！?/p>

模擬結果會反饋回水池的物理實驗中，模型也需借助水池數據進行驗證，然后才被用于研究水池無法在物理上復現的條件和尺度。

當被問及即便如此規模，什么實驗仍無法實現時，他并沒有給出一個明確的答案?！白鳛橐粋€研究者，我傾向于認為我們可以做任何類型的實驗；這在很大程度上取決于你如何對特定問題進行縮尺處理。”他說，能將多大尺度的海冰動力學實驗搬進水池，同時仍能獲得可靠的結果，是他們仍在探索的事情。

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