新研究表明關於冰如何斷裂的舊規則可能並不總是成立的

阿爾託大學的研究人員發現了強有力的證據，即暖冰，即温度非常接近零攝氏度的冰的斷裂方式可能與通常在實驗室或自然界研究的那種冰不同。 發表在《冰凍圈》上的一項新研究對這一現象進行了仔細研究，該研究在阿爾託校園內世界上最大的室內冰槽中進行。

瞭解冰是如何破裂的，對於確保涼爽氣候下的安全港口和橋樑，以及通過歷史上冰凍重災區的運輸至關重要。隨着全球變暖給曾經可預測的季節性條件帶來變化，支撐基礎設施工程的規則正在受到跨國界和跨大陸的考驗。

“我們需要研究暖冰，因為這是我們在自然界看到的；全球變暖正在發生。“論文的主要作者、阿爾託大學的博士生Iman El Gharamti説：“當冰是温暖的，而不是像我們傳統研究的那樣是寒冷的，冰的機械特性以及它對力的反應可能會有根本的不同。”

為了研究暖冰如何對反覆的力量作出反應--在該領域被稱為週期性機械負荷，它模擬了自然界的條件--該團隊利用了阿爾託大學的冰罐。這個寬40米、長40米、深2.8米的盆地被認為是世界上最大的此類盆地。

液壓裝載裝置懸掛在小車的掛鈎上，小車可以垂直和水平移動。在這張圖片中，它位於正在研究的3x6米冰層的左下角。阿爾託大學的冰罐被認為是世界上最大的同類設備。

通常情況下，冰裂縫的研究規模很小，通常只有10-20釐米長，温度為零下10攝氏度或更低。在這項研究中，研究小組使用了超過一英尺厚的3乘6米的淡水冰片。他們還精確地控制了周圍的空氣温度，用冰凍的術語來説，冰是温暖的-0.3攝氏度。

通過一個液壓加載裝置，該團隊在冰上進行了多輪加載和卸載。該領域目前的理解表明，冰將顯示粘彈性恢復--與即時的彈性反應分開，它是一種與時間相關的延遲彈性反應--在兩次加載之間，至少在告訴設備施加足夠的力來完全分裂冰之前。然而，在所提供的條件下，冰的表現出乎意料：它顯示了一些彈性恢復，但根本沒有明顯的粘彈性恢復。事實上，冰被永久地變形了。

偏振光使每個冰粒都清晰可見，使研究人員能夠看到裂縫的走向。結果顯示，裂縫穿過了晶粒，而不是沿着晶粒的邊界。

“我們通常在機械負載之間看到的是，冰在恢復，也就是彈回正常的形成狀態，直到我們故意施加如此大的力，使它永久地裂開。在我們的研究中，每次加載後冰的變形越來越大，我們卻沒有檢測到明顯的延遲彈性恢復，“El Gharamti解釋説。

主要的促成因素似乎是冰的温度。這項研究首次表明，暖冰的行為方式可能與通常研究的冷冰有根本的不同。

“冰沒有表現出延遲的彈性反應這一事實不符合我們對冰如何應對反覆的力的傳統理解。“阿爾託大學固體力學教授Jukka Tuhkuri説：“我們相信，這是因為冰的顆粒在温暖時的行為方式不同，但我們仍然需要做更多的研究來找出其中的原因。”

由於像五大湖或波羅的海 - 世界上最繁忙的海洋區域之一這樣的寒冷地區預計會越來越暖和，Tuhkuri説了解暖冰的力學原理至關重要。

“以前在波羅的海的一艘破冰船上進行的長期冰負荷測量顯示，令人驚訝的是，最大的冰負荷發生在春天，當天氣變暖的時候。如果我們的船隻和基礎設施，如橋樑和風力渦輪機，都是為相當可預測的季節設計的，那麼我們需要知道當全球變暖帶來新的條件時，會發生什麼。看起來舊的規則可能站不住腳了。”