这些发现最终可能有助于科学家改善对该地区持续变暖情况下北极海冰如何移动的预测。
这项发表在Physical Review Letters（《物理评论快报》）上的研究由布莱恩·沙迪（Bryan Shaddy，前加州大学河滨分校本科生，现就职于南加州大学）主导，合作者包括加州大学河滨分校材料科学家亚历克斯·格里尼（Alex Greaney）以及该校机械工程副教授巴尔加夫·拉拉班迪（Bhargav Rallabandi）。
北极海冰由移动的浮冰组成
北极海冰并非形成一整块连续的冰层，而是分裂成被称为浮冰的独立板块。这些浮冰的尺寸跨度从几米到几公里不等。
风推动浮冰在海洋上漂移，导致它们缓慢分离。尽管风是控制海冰运动的主要力量之一，但长期观测表明，风并不能解释所有现象。
海冰的移动速度通常超出了简单的基于风的模型的预测。它在海洋上的扩散速度也比这些模型所显示的要慢得多。
科学家们提出了几种可能的解释，包括异常的风行为、海洋涡流和冰层裂缝。这项新研究表明，许多令人困惑的模式实际上可以通过一个基本过程来解释：相邻浮冰之间的碰撞。
“如果将大量浮冰聚集在同一地方并伴有风，它们就会相互碰撞并将能量传递给相邻的浮冰，”拉拉班迪说。“我们证明了这是解释这些观测结果所需的唯一要素。”
模拟拥挤的冰场
为了验证这一想法，研究人员创建了一个计算机模型，将浮冰类似于通过筒仓移动的颗粒来处理。主要区别在于，这些颗粒漂浮在水面上，并受到湍流风的推动。
该模拟包含了海洋的阻力以及浮冰之间反复发生的碰撞。
随后，研究人员将该模型与来自弗拉姆海峡（Fram Strait，格陵兰与挪威斯瓦尔巴群岛之间的通道）的实际测量数据进行了比较。大量北极海冰在流向大西洋的途中经过该区域。
利用测量到的当地风和冰况，加上一个对整体结果影响很小的额外参数，该模型成功重现了三个此前难以解释的观测结果。
它吻合了海冰扩散的速度、单个浮冰移动的速度范围，以及冰运动在数小时至数天时间内的变化方式。
为何碰撞如此重要
碰撞具有强烈的影响，因为北极海冰可能会变得非常密集。
在密集的冰场中，单个浮冰撞击附近浮冰的频率远高于风本身变化的频率。每次碰撞都会消耗一部分风提供的能量，并缩短浮冰在撞击另一块冰之前能够移动的距离。
这种反复的碰撞挤压有助于解释为什么海冰不会仅仅在风的推动下持续加速和扩散。
这些发现最终可能会改善北极条件演变下海冰输运的预测。被冰覆盖的海洋面积和单个浮冰的大小都会影响碰撞发生的频率。而这些碰撞反过来又会影响冰场扩散的速度。
这一新框架将这些微小的局部相互作用与更大范围内的运动联系了起来。
气候模型的潜在工具
这项研究并没有确切确定未来的变暖将如何改变北极海冰最终的去向。
然而，拉拉班迪表示，该模型可以帮助科学家研究一些问题，例如不断变化的冰况是否可能使浮冰更容易分离并进入更温暖的水域，从而在那里更快融化。
这项工作也可能证明对气候建模有用。
全球气候模型无法追踪覆盖北极的无数相对较小的浮冰中的每一个。相反，科学家需要方法来表示它们的综合行为。一个基于物理学的浮冰相互作用模型可以帮助捕捉那些因太小而无法单独追踪的过程。
对拉拉班迪来说，这项研究最重要的方面之一是，一个相对简单的物理过程能够解释现实世界中观察到的复杂运动。
超越海冰的物理学
同样的原理可能适用于远超北极范围的其他系统。
任何涉及许多物体在不可预测的力推动下发生碰撞的情况都可能表现出类似的行为。研究人员指出了其在雪崩、滑坡、材料科学以及用于3D打印的颗粒填充油墨中的潜在应用。
“该模型并不局限于冰，”拉拉班迪说。“它只需要一个嘈杂的力源，以及移动的物体发生碰撞。”