极地海冰是不断变化的。它会收缩、扩张、移动、分裂、改革，以应对季节的变化和快速的气候变化。它远非海洋表面的一层均匀的冰冻水，而是水和冰的动态混合物，以及冰中包裹的微小空气和盐水。
由犹他大学数学家和气候科学家领导的新研究正在产生新的模型，以理解海冰系统中对全球气候有深远影响的两个关键过程:通过海冰的热量通量，将海洋和大气热连接起来，以及边缘冰带的动力学，或MIZ，北极海冰覆盖的蛇形区域，将稠密的浮冰与开阔的海洋分开。
大气科学教授斯特朗(Court Strong)说，在过去40年里，随着卫星图像的广泛使用，MIZ的宽度增加了40%，其北部边缘向北迁移了1,600公里。
斯特朗是最近几周由美国科学家发表的两项研究之一的合著者，他说:“随着海冰面积的减少，它也向两极转移。”“这些变化大多发生在秋季，大约是海冰达到季节性最小值的时候。”
这项研究将通常用于实验室尺度的合金和二元溶液的相变模型应用于北冰洋尺度上的MIZ动力学，发表在《科学报告》上。第二项研究发表在《英国皇家学会学报A》上，基于在南极的实地研究，开发了一个模型来理解海冰的导热性。这期杂志的封面上有一张照片，展示了南极海冰底部几厘米处有规律间隔的盐水通道。
近几十年来，由于人类活动导致的全球变暖，覆盖两极地区的冰层急剧减少。它的消失也推动了一个反馈循环，更多的太阳能量被开阔的海洋吸收，而不是被冰盖反射回太空。
犹他州数学教授埃琳娜·切尔卡耶夫(Elena Cherkaev)和主要海冰研究员肯·戈尔登(Ken Golden)是这两项研究的作者。由斯特朗领导的北极研究考察了海冰的宏观结构，而由前犹他州博士后研究员诺亚·克雷茨曼领导的南极研究则研究了其微观层面。
海冰不是固体，而更像是一个海绵，上面有小洞，里面充满了盐水或盐水夹杂物。戈尔登说，当下面的海水与冰相互作用时，它可以形成一种流动，使热量更快地通过冰，就像你搅拌一杯咖啡一样。南极研究的研究人员使用先进的数学工具来计算这种流动对热量运动的促进程度。
热导率研究还发现，与年复一年保持冻结的冰相反，新冰允许更多的水流，从而实现更大的热量传递。
目前的气候模型可能低估了通过海冰移动的热量，因为它们没有完全考虑到这种水流。通过改进这些模型，科学家可以更好地预测海冰融化的速度及其对全球气候的影响。
根据戈尔登的说法，虽然这两项研究中所调查的冰的各个方面有很大的不同，但它们建模的数学原理是相同的。
“冰不是一个连续体。这是一束花。这是一种复合材料，就像带有微小盐水包裹体的海冰一样，但这是带有冰包裹体的水，”戈尔登在描述北极边缘冰带时说。
“在不同的背景和环境中，基本上是相同的物理和数学，在给定浮冰的几何形状和信息的情况下，弄清楚大规模的有效热特性是什么，这类似于在亚毫米尺度上提供有关盐水包裹体的详细信息。”
戈尔登喜欢说，在北极发生的事情不会局限于北极。MIZ的变化肯定会以破坏气候模式的形式在世界其他地方发挥作用，因此了解它正在做什么是至关重要的。
该区域被定义为海洋表面15%至80%被海冰覆盖的部分。冰层覆盖面积大于80%的地方被认为是浮冰，小于15%的地方被认为是开放海洋的外边缘。
斯特朗说:“MIZ是海冰边缘附近的区域，在那里，冰被海浪打碎成更小的块并融化。”“MIZ的变化很重要，因为它们会影响海洋和大气之间的热量流动，以及北极生命的行为，从微生物到北极熊，以及人类的导航。”
随着20世纪70年代末高质量卫星数据的出现，对MIZ的科学兴趣有所增长，因为现在它的变化很容易记录下来。斯特朗是那些想出如何使用从太空拍摄的图像来测量MIZ并记录惊人变化的人之一。
斯特朗说:“在过去的几十年里，我们看到非军事区扩大了40%。
多年来，科学家们一直把海冰视为所谓的“糊状层”。当金属合金从液体中熔化或凝固时，无论哪种方式，它都要经过一个多孔或糊状的状态，在那里液相和固相并存。冷冻盐水也是类似的，会形成带有液态盐水口袋的纯冰主体，在最靠近温暖海洋的底部几厘米处特别多孔或糊状，在糊状层语言中，垂直通道被称为“烟囱”。
斯特朗的团队测试了先前模拟的糊状层物理是否可以应用于MIZ的广大地区。根据这项研究，答案是肯定的，这可能会让人们对北极不断变化的部分地区有一个新的认识。
简而言之，这项研究提出了一种新的思维方式，将MIZ视为一个大规模的相变区域，类似于冰融化成水的过程。传统上，融化被认为是发生在小范围内的事情，比如在浮冰的边缘。
但是，当从整体上看北极时，MIZ可以被视为固体、密集的浮冰和开阔水域之间的广阔过渡区。这个想法有助于解释为什么MIZ不只是一个清晰的边界，而是一个冰和水共存的“糊状”区域。
“在气候科学中，我们经常使用非常复杂的模型。这可能会导致熟练的预测，但也可能使理解系统中物理发生的事情变得困难，”斯特朗说。“我们的目标是建立最简单的模型，能够捕捉到我们在MIZ看到的变化，然后研究这个模型，以深入了解系统是如何工作的，以及它为什么会发生变化。”
本研究的重点是了解MIZ的季节周期。下一步将是应用这个模型来更好地理解是什么驱动了过去几十年观察到的MIZ趋势。
