由海水冻结而成的冰称为海冰。但在海洋中所见到的冰,除海冰之外,尚有大陆冰川、河流及湖泊流滑入海中的淡水冰,广义上把它们统称为海冰。世界大洋约有3%~4%的面积被海冰覆盖,对船舶航行、海底采矿及极地海洋考察等形成严重障碍,甚至造成灾害。它对海洋水文状况自身的影响,也成为海洋学的重要研究内容之一。
3.2.1海冰的形成、类型和分布
一、海冰形成条件及过程
海冰形成的必要条件是,海水温度降至冰点并继续失热、相对冰点稍有过冷却现象并有凝结核存在。
海水最大密度温度随盐度的增大而降低的速率比其冰点随盐度增大而降低的速率快(图3—5),当盐度低于24.695时,结冰情况与淡水相同;当盐度高于24.695时(海水盐度通常如此),海水冰点高于最大密度温度,因此,即使海面降至冰点,但由于增密所引起的对流混合仍不停止,因此只有当对流混合层的温度同时到达冰点时,海水才会开始结冰。所以海水结冰可以从海面至对流可达深度内同时开始。也正因为如此,海冰一旦形成,便会浮上海面,形成很厚的冰层。
海水的结冰,主要是纯水的冻结,会将盐分大部排出冰外,而增大了冰下海水的盐度,加强了冰下海水的对流和进一步降低了冰点,又兼冰层阻碍了其下海水热量的散失,因而大大地减缓了冰下海水继续冻结的速度。
二、海冰的分类
1.按结冰过程的发展阶段可将其分为:初生冰最初形成的海冰,都是针状或薄片状的细小冰晶;大量冰晶凝结,聚集形成粘糊状或海绵状冰,在温度接近冰点的海面上降雪,可不融化而直接形成粘糊状冰。在波动的海面上,结冰过程比较缓慢,但形成的冰比较坚韧,冻结成所谓莲叶冰。
尼罗冰初生冰继续增长,冻结成厚度10cm左右有弹性的薄冰层,在外力的作用下,易弯曲,易被折碎成长方形冰块。
饼状冰破碎的薄冰片,在外力的作用下互相碰撞、挤压,边缘上升,形成直径为30cm至3m,厚度在10cm左右的圆形冰盘。在平静的海面上,也可由初生冰直接形成。
初期冰由尼罗冰或冰饼直接冻结一起而形成厚约10~30cm的冰层。多呈灰白色。
一年冰由初期冰发展而成的厚冰,厚度为30cm至3m。时间不超过一个冬季。
老年冰至少经过一个夏季而未融化的冰。其特征是,表面比一年冰平滑。
2.按海冰的运动状态可分为固定冰和流冰两类。固定冰是与海岸、岛屿或海底冻结在一起的冰。当潮位变化时,能随之发生升降运动。其宽度可从海岸向外延伸数米甚至数百千米。海面以上高于2m的固定冰称为冰架;而附在海岸上狭窄的固定冰带,不能随潮汐升降,是固定冰流走的残留部分,称为冰脚。搁浅冰也是固定冰的一种。
流(浮)冰,自由浮在海面上,能随风、流漂移的冰称为流冰。它可由大小不一、厚度各异的冰块形成,但由大陆冰川或冰架断裂后滑入海洋且高出海面5m以上的巨大冰体——冰山,不在其列。
流冰面积小于海面1/10~1/8者,可以自由航行的海区称为开阔水面;当没有流冰,即使出现冰山也称为无冰区;密度4/10~6/10者称为稀疏流冰,流冰一般不连接;密度7/10以上称为密集(接)流冰。在某些条件下,例如流冰搁浅相互挤压可形成冰脊或冰丘,有时高达20余米。
三、海冰的分布
海冰和冰山是高纬海区特有的海洋水文现象。北冰洋终年被海冰覆盖,覆冰面积每年3~4月最大,约占北半球面积的5%;8~9月最小,约为最大覆冰面积的3/4;多年冰的厚度一般为3~4m。流冰主要绕洋盆边缘运动,其冰界线的平均位置约在58°N。格陵兰是北半球主要的冰山发源地,每年约有7500座冰山由此进入海洋,仅随拉布拉多寒流进入大西洋的就有388座/年,其中约5%到达48°N,0.5%可达42°N。冰山的平均界限为40°N。个别冰山曾穿过湾流抵31°N海域。在北冰洋边缘的附属海,还有白令海、鄂霍茨克海、日本海、波罗的海以及中国的渤海和黄海每年冬季都有海冰出现。
南极大陆是世界上最大的天然冰库,周围海域终年被冰覆盖,暖季(3~4月)覆冰面积为(2~4)×106km2,寒季(9月)达(18~20)×106km2。南极大陆周围为固定冰架,一年冰的厚度多为1~2m;在南太平洋和印度洋流冰界分别在50°~55°S和45°~55°S之间,南大西洋则更偏北,在43°~55°S之间。南大洋海域经常有22万座冰山在海上游弋,曾观测到长335km,宽97km的大冰山。南大洋中冰山的平均寿命为13年,是北半球冰山平均寿命的4倍多。
冰山和流冰的漂移方向主要受风和海流共同制约。无风时,其漂移方向与速率大致与海流相同;单纯由风引起的漂移速度约为风速的1/50~1/40;方向则偏风矢量之左(南半球)或右方(北半球);在强潮流区,主要受潮流制约。
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