關於海冰的一些小知識

關於海冰的一些小知識

海冰就是被凍結的海水。它在海洋中形成、生長和融化。相反，冰山、冰川、冰原和冰架都起源於陸地。海冰在冬季生長，在夏季融化，但在某些地區，有些海冰全年都不會融化。世界上大約15%的海洋在一年中的部分時間被海冰覆蓋。平均來說，海冰覆蓋了地球上大約2500萬平方公裡的面積，大約是我國陸地面積的2.6倍。北極和南極都有海冰。在北半球，它目前可以存在於我國的渤海灣(大約北緯38度)，實際上離赤道要更近一些，比離北極近700公裡。在南半球，海冰只在南極洲周圍形成。

2019年底南北極冰層覆蓋圖（NSIDC）

為什麼海冰如此重要，為什麼科學家要研究它?

雖然海冰主要出現在極地地區，但它影響著全球氣候。海冰有一個明亮的表面，大部分陽光會反射回太空。因此，被海冰覆蓋的地區不會吸收太多的太陽能，所以極地地區的溫度相對較低。如果隨著時間的推移，逐漸變暖的溫度融化了海冰，那麼能夠將陽光反射回太空的明亮表面就會減少，更多的太陽能被海面吸收，溫度就會進一步上升。這一連串的事件開始了一個變暖和融化的循環。當極地冬季的黑暗日子再次來臨時，這種循環會暫時停止，但在來年春天又會重新開始。隨著時間的推移，即使是很小的溫度升高也會導致更大的變暖，使極地地區成為地球上對氣候變化最敏感的地區。

海冰也會影響海水的運動。當海冰形成時，大部分的鹽被釋入冰下的海水，儘管一些鹽可能被困在冰晶之間的晶格中。海冰下的水含鹽濃度更高，比周圍的海水密度更大，因此會下沉。通過這種方式，海冰有助於海洋的全球「傳送帶」環流。寒冷、稠密的極地水下沉並沿著海底向赤道移動，而溫暖的水從海洋深處向表面移動，從赤道向兩極移動。海冰數量的變化會擾亂正常的海洋環流，從而導致全球氣候的變化。

對於野生動物和在極地生活和旅行的人來說，海冰過多或過少都是一個問題。在北冰洋地區，海冰可能成為船舶航行通過北方航道和西北航道的障礙。

北極科考中的長期冰站冰上作業

海冰和冰山、冰川和湖冰有什麼區別

最基本的區別是海冰是由鹹水形成的，而冰山、冰川和湖冰則是由淡水或雪形成的。海冰在海洋中生長、形成和完全融化。冰川被認為是陸地冰，而冰山是從冰川上斷裂並落入海洋的大塊冰。湖冰是由淡水形成的，凍結成光滑的一層，不像海冰，由於海水的不斷動蕩而形成各種形態和形狀。

冰川（來源網上）

冰山（來源網上）

海冰形成的過程也不同於湖泊或河流的冰。淡水與大多數物質不同，因為它在4℃時密度最大，接近冰點時密度變小。這種密度上的差異解釋了為什麼冰塊會漂浮在水中。非常寒冷、低密度的淡水停留在湖泊和河流的表層，而冰在其頂部形成。

與淡水不同的是，海水中的鹽會導致水的密度在接近冰點時增加，而非常冷的海水則會下沉。因此，與淡水冰相比，海冰形成緩慢，因為海水在冷卻到足以結冰之前就會從寒冷的表面下沉。此外，其他因素導致海冰的形成是一個緩慢的過程：海水的凍結溫度低於淡水，海洋溫度必須達到-1.8℃才能凍結。對於深海來說，達到冰點需要更長的時間，一般來說，距海面100到150米的水必須都冷卻到冰點才能形成冰。

海水凍結溫度（NSIDC）

成冰過程

當海水開始結冰時，被稱為「冰針態」（frazilform）的針狀小冰晶就形成了。這些晶體的直徑一般為3到4毫米。因為鹽不會凍結，晶體會把鹽排入水中，而冰針（frazil）晶體幾乎是由純淨的淡水組成。

一種由尼羅冰和光滑的、被雪覆蓋的冰混合而成的重疊物（NSIDC）

當冰針晶體漂浮在海面上，堆積並結合在一起時，就形成了一片片的海冰。根據氣候條件的不同，片狀物可以由油脂冰和凍結冰形成，也可以由薄煎餅冰形成。這些過程如下所述。

成冰過程

在平靜的海水中，冰針晶體會形成一種光滑、薄的冰，由於它類似於浮油，所以被稱為「油脂冰（grease ice）」。油脂冰形成了一層連續的薄冰，叫做尼羅冰（nilas）。一開始，很薄很黑(被稱為暗冰)，隨著冰層加厚顏色變淺。海流或微風經常推動尼羅冰，使它們相互滑過，這一過程被稱為漂聚（Rafting）。最終，冰會變厚，形成更穩定的層狀結構，底層表面光滑，這就是所謂的凍結冰（congelation ice）。浮冰不能在相對靜止的海冰下形成，只有在冰原下形成的凍結冰才能促進凍結冰蓋的持續生長。凍結冰晶體是長而垂直的，因為它們比冰生長得慢得多。

如果海洋波濤洶湧，冰針晶體就會聚集成一種叫做煎餅冰或荷葉冰的圓盤狀冰晶體。煎餅冰的一個顯著特徵是邊緣或邊緣隆起，這是由冰圓盤在海浪中相互碰撞造成的。如果運動足夠強烈，就會發生飄聚。如果冰層足夠厚，就會發生隆起，這時海冰會發生彎曲或斷裂，並在其頂部堆積起來，在表面形成冰脊線。每個冰脊都有一個相應的結構，稱為龍骨，它在冰的底部形成。特別是在北極，厚冰層變形時可以形成20米厚的冰脊。最後，薄煎餅粘合在一起，合併成一個連貫的冰蓋。與凍結過程不同，由煎餅冰合併形成的薄冰底部表面粗糙。

一旦海冰形成冰蓋，它就會在整個冬天繼續生長。當春季和夏季氣溫升高時，第一年的冰開始融化。如果冬天冰不夠厚，夏天就會完全融化。如果冰在冬天長得足夠大，在夏天就會變薄，但不會完全融化。在這種情況下，它會一直存在到下一個冬天，那時它會進一步變厚，被歸類為多年冰。

海冰的特性

海冰按其厚度和年齡的發展階段來分類。大多數科學家只根據海冰的年齡來描述海冰，通常是第一年或幾年。不過，一些為航海目的繪製冰的範圍圖的專家使用特定的術語來把冰的厚度與年齡聯繫起來。

初生冰（new ice），這是一個技術術語，指厚度小於10釐米的冰。當冰變厚時，它就進入了新生冰階段，即10到30釐米厚的冰。新生冰（young ice）有時根據顏色分為兩類:灰色冰(10 - 15釐米)和灰白色冰(15- 30釐米)。初年冰厚超過30釐米，但沒有度過一個夏天的融化季節。多年冰是在夏季融冰季節存活下來的冰，比新形成的冰厚得多，一般在2到4米之間。

煎餅冰，也叫荷葉冰（NSIDC）

海冰不是一個連續的、均勻光滑的冰層，而是一個即使在很短的距離內也會發生劇烈變化的複雜表面。

海冰通常被雪覆蓋，這使得冰在夏天得以隔離並延遲融化。大雪還會改變衛星探測到的電磁輻射信號。除了在融化季節，雪通常是乾燥的，被風吹出堅硬的外表。來自同一方向的風可以把雪吹成與風向平行的「山脊」，就像小沙丘一樣。這些複雜而脆弱的形狀被稱為雪脊。

其他在海冰表面形成的特徵是冰花，當水蒸氣繞過液相變成固體時，冰晶沉積在海冰上。霜花使表面粗糙，並極大地改變了它的電磁信號。

冰花在非常平靜的條件下生長在初生冰上的特寫（NSIDC）

如果積雪很厚，尤其是相對較薄的海冰，積雪的重量會把冰推到下面的水中。含鹽的海水淹沒了雪，形成了一層含鹽的雪泥層。這種被水淹沒的海冰在南極比在北極更常見，因為南極通常有更薄的冰和更多的降雪。

海水淹沒雪形成的雪泥

當風、洋流和其他力量推動海冰時，浮冰(漂浮在水中的冰片)相互碰撞，冰堆積成冰脊和龍骨。冰脊是在冰上形成的小「山脈」;龍骨是冰底的相應特徵。脊和龍骨的總厚度可達幾米，冰脊可輕易達到2米或更高。冰脊對任何試圖穿越冰層的人都造成了巨大的障礙。

浮冰相互碰撞形成的冰脊，形成了巨大的障礙

冰脊最初是塊狀的，邊緣很鋒利。隨著時間的推移，尤其是在夏季融化的時候，這些冰脊會被侵蝕成更小、更光滑的「小山」，也就是所謂的「冰丘」。這個過程類似於鋸齒狀的山峰被侵蝕成光滑、起伏的小山，只是這個過程更快。當龍骨侵蝕成光滑的特徵，他們被稱為冰丘。

光滑的冰脊和冰丘

在夏季，當海冰上的雪融化時，融水會在被稱為「融池」的海冰表面凹陷處積聚。這些融池比周圍的海冰從陽光中吸收更多的熱量，它們的面積和深度都在增加。融池中的淡水呈現藍色，因為光從融池底部和側面的海冰表面反射和散射。如果一個融池整個厚度的冰被融化後，融池的顏色變暗，就像海洋一樣。由於相對溼度的差異，融池在北極比在南極更常見。

冰上各式各樣的融池

冰間水道（Leads）和冰間湖（Polynyas）

冰間水道和冰間湖是冰上開放水域的區域，它們有幾個共同的特徵。二者都是開放水域，它們都能影響周圍的天氣和氣候，在野生動物棲息地中都扮演著重要的角色。然而，它們在本質上是不同的。

冰間水道

冰間水道（冰縫）是冰中狹窄的線性裂縫，當浮冰彼此平行移動時發生分叉或剪切而形成。冰間水道的形成類似於海中脊或地球運動構造板塊形成的剪切帶。水道的寬度可以從幾米到超過一千米。水道通常可以分叉或交叉，在冰中形成一個複雜的線狀網絡。在冬季，冰間水道只會保持很短的時間，很快會重新結冰。

冰間水道的重要性有幾個原因。首先，季節變化影響當地和區域氣候。開放水道比周圍的冰要暗得多，而在夏天，周圍的冰的反照率相對較低，也就是反射光的能力較低。由於較低的反照率，水道比周圍的海洋吸收更多的太陽能，從而加熱水道中的水，加速周圍冰的融化。在冬季初，當海冰開始在水道中重新凍結時，鹽水會向開放的海洋層析出鹽分。在貫穿整個冬季的冰間水道中，相對溫暖的海水暴露在寒冷的大氣中，向大氣釋放熱量和水分。因此，冰間水道通常伴隨著順風的低空雲。

其次，冰間水道對野生動物也很重要。海豹、鯨魚、企鵝和其他動物依靠冰間水道獲取氧氣。北極的北極熊經常在冰間水道附近獵食，因為它們知道它們的獵物很可能會浮出水面呼吸。

冰間水道中嬉戲的海豹

最後，冰間水道對於導航很重要。即使在結冰的時候，冰間水道往往含有更薄、更稀的冰，這使得潛艇更容易浮出水面，破冰船也更容易穿過冰層。

浮出冰面的潛艇（來源網上）

冰間湖是一片持續開放的水域。在大多數情況下，它們的形狀大致是橢圓形或圓形，但它們也可以是不規則的形狀，由於阻止海冰形成或快速將海冰移出該地區的過程，海水一直處於開放狀態。冰間湖是由上升的溫水或持續的風形成的。根據冰的移除機制的不同而有所區別，有兩種類型的冰間湖(感熱冰間湖和潛熱冰間湖)。在一個給定的冰間湖形成過程中，一個機制通常佔主導地位，但兩者都可能發生。冰間湖通常會保持很長一段時間不結冰。

感熱冰間湖(Sensible-Heat Polynyas)

在相互接觸的兩個物體之間，在不同的溫度下會發生感熱傳遞，溫度高的物體向溫度低的物體感熱傳遞。當高於冰點的水湧上來，或者從海洋深處流到表面，就會形成一種感熱冰間湖。熱量從溫暖的水轉移給冰，使其融化，並阻止新的冰形成。海底的地形或海水的垂直對流使溫暖的海水上升到表面。在這種類型的冰中，來自海洋的感熱傳遞提供了融化冰所需的熱源。感熱冰間湖通常形成於海中央，遠離海岸或其他屏障，因此又被稱作中央型冰間湖。

北極點處的冰間湖中待命的潛艇

潛熱冰間湖 (Latent-Heat Polynyas )

潛熱是指物質在物態變化（相變）過程中，在溫度沒有變化的情況下，吸收或釋放的能量。當物體由固態轉為液態，該物體將吸收潛熱。相反，由液態轉為固態，物體將釋放潛熱，因此，當冰融化時，潛熱被吸收，當液態水結冰時，潛熱被釋放到周圍環境中。這個過程被稱為「Latent」，意即「隱藏」，因為它與溫度的變化無關，而與狀態的變化有關。

潛熱冰間湖又被稱為近岸冰間湖，其特點是凝結點處有海水。它的形成是由於持續的風把冰從屏障上吹走的結果，比如海岸、固定冰(fast ice：固定在海岸或海底的冰)、擱淺的冰山或冰架。當新的冰在冰間湖內生長時，風將其吹向背風面，而迎風面則保持無冰。潛熱在水結冰時釋放出來，也在水蒸發到開闊水面上方的空氣中時釋放出來。在潛熱冰間湖內也會發生一些感熱交換，因為冰間湖內的水通常比它上面的空氣熱，即使水是在冰點溫度。

當在冰間湖或其他地方形成海冰時，鹽被排入水中，提高了表層水的鹽度。鹽增加了表層水的密度，使得表層水比下面的水重，導致它下沉。在某些情況下，高密度的表層水與其他物質混合併下沉到海底。潛熱冰間湖，特別是南極洲沿海地區的冰間湖，是世界底層水的主要來源，影響溫鹽環流的過程。

南極洲奧茨海岸(照片底部的純白色區域)附近的冰間湖(深色區域)的衛星圖像（NASA）

冰間湖的重要性有多種原因。像冰間水道一樣，它們是大氣的熱量和水分的來源，因此它們改變了周圍地區的天氣。如前所述，它們是海底水的來源。冰間湖也是野生動物的重要資源。它們為包括海豹和企鵝在內的各種動物提供了進出海洋和大氣的通道。因為冰間湖比冰間水道存活的時間長，而且垂直流動的海水會把營養帶到表面，所以浮遊植物在冰間湖中茁壯成長。浮遊植物是一種微小的類似植物的生物，構成了海洋食物鏈的基礎。在夏季，南極冰間湖是世界海洋中最具生物生產力的區域之一。

在冰間湖中等待覓食的北極熊

反照率（Albedo）

一個無量綱、無單位的量，用來測量一個表面反射太陽能的能力，範圍為0 - 1;數值0表示該表面是一個完全吸收器，所有入射能量都被吸收，數值1表示該表面是一個完全反射器，所有入射能量都被反射而沒有被吸收。

浮冰（floe）

大塊浮動的冰或未破碎的塊冰，直徑大於20米。

塊冰（pack ice）

沒有附著在海岸線上的冰，在風、水流和其他力量的作用下漂流;有些人喜歡用「漂流冰（drift ice）」這個通用術語。

飄聚（Rafting）

水流或風繞著薄冰旋轉使它們相互相互滑動的過程，也叫相互飄聚。

尼羅冰展示相互飄聚過程。(NSIDC)

凍結冰（congelation ice）

一種高級形式的初生冰，它是一種穩定的、底部表面光滑的冰。

在自然光下拍攝的凍結冰中垂直排列的氣孔（NSIDC）

鹽度（Salinity）

鹽度是測量水中溶解鹽的濃度。直到最近，定義鹽度值的一種常用方法是千分之一(parts per thousand ：ppt)，即1000公斤水中的鹽。今天，鹽度通常用實用鹽度單位(practical salinityunits ：psu)來描述，這是一個更精確但更複雜的定義。儘管如此，ppt和psu的鹽度值幾乎相等。海洋的平均鹽度通常在32至37 psu之間，但在極地地區，它可能小於30 psu。氯化鈉(食鹽)是海洋中最豐富的鹽類。

淡水在0℃結冰，但海水的冰點不同。鹽度每增加5個psu，冰點就降低0.28℃;因此，在海洋鹽度約為32 psu的極地地區，海水開始在-1.8℃結冰。北冰洋通常比其他海洋鹽度更低，大約在30至34個psu之間，但不同地區的鹽度水平不同，有大量河流流入的地區鹽度可能更低。

滷水（Brine）

當冰針冰晶形成時，鹽積累成稱為滷水的水滴，這些水滴通常會被排回海洋。這就提高了近海面海水的鹽度。一些滷水滴被困在冰晶之間的小塊裡。這些水滴是鹽水，而它們周圍的冰不是。滷水保持液態，因為需要更低的溫度才能結冰。在這個階段，海冰的含鹽量很高。隨著時間的推移，滷水會流出，留下氣穴，而海冰的鹽度會降低。滷水可以以不同的方式從海冰中流出：在重力的幫助下，鹽水通過冰層上的孔道向下移動，最終排入海洋。

滷水周圍的冰會擠壓並打破滷水袋，讓鹽水流入海洋。

當海冰在夏季開始融化時，小的淡水池塘(稱為融池)就會在冰的表層形成。這些淡水通過冰的裂縫和孔洞，衝刷掉殘留的滷水。

當海冰表面冷卻時，滷水的含鹽量增加到可以融化底部冰的程度。這導致了滷水滴的向下遷移，最終使滷水流入冰原以下的海洋。

鹽在海洋環流中起著重要的作用。在寒冷的極地地區，鹽度的變化對海洋密度的影響大於溫度的變化。當鹽以海冰的形式排入海洋時，海水的鹽度增加。因為鹽水更重，水的密度增加，水下沉。海冰和海水之間的鹽交換影響了數百公裡的海洋環流。

在自然光下拍攝的5毫米寬照片，顯示了細長的管狀結構，冰晶之間的滷水袋（NSIDC）

冰針（Frazil）

小的針狀冰晶，直徑一般為3到4毫米，懸浮在水中，代表著海冰形成的第一階段;它們在平靜的條件下融合，在表面形成薄冰，冰針晶體幾乎由純淨的淡水組成。

冰針晶體（NSIDC）

融池（melt ponds）

在夏季融冰期間在海冰表面上由融化的雪和冰形成的水池。

融池採樣（劉城剛攝）

多年冰（Multiyear Ice）

根據夏季融冰的過程，多年冰具有不同於初年冰的特性。多年冰比初年冰含有更少的鹽水和更多的氣穴。較少的滷水意味著「更硬」的冰，使破冰船更難破冰和航行。

多年冰形成的冰丘已經存在時間夠久，足夠新鮮，人們可以喝它們融化的水。事實上，多年冰經常為極地探險提供所需的淡水。

多年冰

初年冰和多年冰有不同的電磁特性，衛星傳感器可以探測到，這使得科學家能夠區分兩者。

多年冰在北極比在南極普遍得多。這是因為洋流和大氣環流將海冰移到南極洲周圍，導致大部分海冰在夏季融化，因為它們進入了溫暖的水域，或者由於開放水域吸收了太陽的熱量，上層海洋升溫。在南極確實存在多年冰，是由於在西南極洲南極半島東側的威德爾海有一股環流而得以持續存在。相比之下，北冰洋相對來說由陸地環繞，因此可以形成大量的多年冰聚集。

初年冰（first-year ice）

由新生冰發育而成的不超過一年的浮冰，厚度0.3 - 2米，在不受壓力幹擾的地方，具有水平的特性，但在有脊的地方，它們是粗糙的、稜角分明的。

初年冰

冰丘（Hummock）

起伏的冰丘

 (1)[海冰]由受侵蝕的脊脊在海冰表面形成的平滑的冰山，特別是在夏季融化期間;小丘的形成類似於年輕的山峰，陡峭的山坡侵蝕成光滑、起伏的小山。

(2)[凍土]在霜凍作用下形成的小塊土壤，通常以均勻的間隔成群出現。小丘可以在永久凍土或季節性凍土地區形成，是北極最常見的地表特徵之一。