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冰的多时间和空间尺度演变在全球气候变化中起关键作用，影响了海平面，海洋循环，海面温度和陆地表面反照率。自然环境中冰的凝固和熔化通常伴随着周围水体的复杂流动（图1A，b），进而产生丰富的多规模冰水相变动态。对水流和冰水相变的耦合动力学的深入了解是当今需要紧急解决的关键科学问题。最近，Tsinghua University的能源与动力工程系Sun Chao教授的研究团队和合作团队系统地在复杂的流动条件下系统地整理了典型的冰水相变动力学，包括淡水系统的热分层流，盐水系统的双扩散对流，盐水系统的双扩散对流，内部流动的盐水冰，沿冰层的剪切冰流的内部流动。这项工作系统地总结了从流体力学的角度来看，在复杂的流动条件下，水固化和冰融化的各种典型物理机制，深入讨论流动对冷冻圆圈和水圈中自然现象的影响，并期待进一步探索相关问题的方向。

图1

图1。（a）冰和水流之间的典型相互作用（c）冰层附近的淡水的热分层流动（d）冰层附近的盐水的双扩散对流（e）多孔盐水的内部流动（f）冰层的剪切层沿冰层流动（g）剪切层的剪切机（g），冰层的剪切层沿冰层（g），冰层的剪切层沿冰层（g），冰层的剪切层沿冰层（g），冰层的剪切层沿冰层（g），冰层的剪切机（g）剪切尺寸的空间（g），冰层的内部流动（g），冰层的剪切尺寸（g）剪切层的剪切层（g）为了分层的水体流，因此系统的相变动力学和冰水界面的形态显示出复杂的非线性和非单调特征（图1C）。在盐水系统中，温度和盐的双扩散对流决定了水体中的热，质量和动量的运输，影响了冰层的熔化速率和冰水的界面形态（图1D）。此外，当盐水冷冻并在其中发生浮力驱动的对流时，将形成多孔冰体，这将促进冰的生长，还将促进盐分排出并进一步冷冻冰中（图1E）。当冰体沿其表面剪切流动的影响时，浮力和剪切效应的协同作用决定了水体的流动结构，从而塑造了丰富的连续冰形形态，例如圆顶图案，山脊图案，界面旅行波和“扇贝”模式（图1F）。对于有限大小的冰体浮动或沉浸在剪切流中，以不同角度的冰表面熔化速率与进气流的熔点不同。固定冰体的流动侧形态与附近边界层的流动相结合，从而导致冰水界面的自相似演化，而自由移动的冰冰球可将球形形状保持更长的时间（图1G）。

图2

图2。（a）夏季北极海冰表面上的熔体池（b）直接对熔体池内部自然对流温度场的直接模拟（c）形成（c）在冰区域（e）在冰区域旋转的冰区域（e）旋转冰区域（e scall forece floes of coce）的冰池和海洋（d）的界面上的虚假底部的增厚（E复杂流动和固液相变的机制对于理解地球物理过程，例如全球水周期，碳循环，生物多样性变化，地质变化以及促进与极地科学研究与发展相关的人类活动具有重要意义（图2）。最后，本文还指出了需要进一步探索的问题，包括冰形态的形成和影响，包含和杂质的影响，在不同的流动条件下冰体的运动特征以及冰的机械特征以及热辐射描述的机械特征，改善热辐射描述的改善，固化和在极端的热量条件下的固体和融化等物理学等。 30。能源与动力工程系教授Sun Chao和Tsinghua University的航空航天学院是该论文的相应作者，而Tsinghua大学能源和动力工程系的博士生Du Yihong是该论文的第一作者。合作者还包括法国里尔大学助理教授Enrico Calzavarini。这项研究得到了中国基础科学中心国家自然科学基金会的支持，“非线性力学多尺度问题研究”，腾讯的新基石研究员项目和科学探索奖。文章链接：https://doi.org/10.1038/S42254-024-00766-5

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