冰川为什么会滑动？温冰的流动规律或将更准确预测海平面变化
长期以来，人们常用格伦流动定律来描述冰川的流动行为，认为冰川的变形速率与所受应力的3~4次方成正比，呈非线性特性。然而，一项最新发表在《科学》杂志上的研究却颠覆了这一认知，温冰在大多数情况下其实是“线性流动”的，其应变率与应力几乎成正比，这一发现不仅挑战了冰川学的经典理论，还可能改变我们对冰盖稳定性和未来海平面上升的预测方式。
温冰及其机制
什么是温冰？温冰是指在冰盖底部，由于地热和摩擦生热，部分冰会达到压力融化点（即在高压下，冰在0°C以下也能部分融化），这种含有液态水的冰被称为温冰。温冰和普通冰最大的区别在于它的“软”，因为液态水存在于冰晶之间，使冰更容易变形，有研究表明，温冰的流动速率可比普通冰快10倍以上，这意味着，冰盖底部的温冰层越厚，冰流动就越快。
然而，温冰的分布极不均匀。过去，科学家主要依赖BedMachine冰床地形数据库来模拟冰流，但它的分辨率较粗，精度约400米，无法捕捉真实的冰床细节。为了探讨温冰层的空间分布及厚度变化，2023年的这项研究采用地统计学方法，结合雷达探测数据，生成了20米分辨率的精细冰床模型，探究了温冰的真实分布规律。
研究团队队选取了格陵兰冰盖的两个典型区域进行对比，Sermeq Kujalleq区域流速快，流速约500米/年，Isunnguata Sermia区域流速慢，流速<125米/年。
研究发现，在冰床深槽中，温冰层厚度可超过100米，而在基岩高地，温冰层被压缩至不足5米。可能是因为深槽处冰更厚，压力更大，且摩擦产生的热量不易散失，导致温冰层更发育。相反，基岩高地上的冰较薄，热量容易流失，温冰层就薄。
在深槽温冰层较厚的区域，冰的内部变形贡献了大部分运动，基底滑动仅占不到15%，而在在温冰层薄的区域，基底滑动占主导，可达表面流速的90%以上。这意味着，冰盖的流动模式并非均匀的，而是受局部地形强烈影响。
当研究团队用平滑的BedMachine地形进行模拟时，温冰层的最大厚度仅为62米，远低于真实观测的189米，此外，冰流动模式也变得过于均匀，无法反映钻孔实测的变形剖面，表明真实冰床的粗糙度对温冰层分布至关重要，忽略这一点会导致冰流模拟出现重大偏差。
由于温冰层并非静态存在，那么它又是如何维持的呢？研究发现，它的形成和维持依赖于冰流动时摩擦产生的热量，即变形热。冰流经粗糙地形时，局部应变会急剧增加，产生大量热量，从而促进温冰层的扩展。
变形热的三种典型模式为截断尖峰、桥接结构和交叉尖峰。截断尖峰是指在温冰层较厚的区域，热量集中在顶部，形成垂直的“尖峰”，这些尖峰在遇到冷冰层时会突然终止，导致冰流动方向改变；桥接结构是指在冰流绕过基岩障碍时，温冰层会在障碍之间形成“桥”，使上层冰快速流过，而下层冰几乎停滞；交叉尖峰是指在慢速流动的冰川，热量会穿透温冰层，向上延伸至冷冰区，导致冰的整体软化。
在Isunnguata Sermia冰川，钻孔数据显示温冰层沿流动方向以4.3米/公里的速度增厚，而模型模拟结果与之高度吻合，表明冰流动本身会通过变形热“自我维持”温冰层，形成一个正反馈循环：冰流动越快 → 变形热越多 → 温冰层越厚 → 冰流动更快。
图：RESPONDER 地质统计模拟的 3D 模型输出（Rgb）
流向沿x轴从左到右，基底地形为灰色（最大和最小海拔分别为 -835 米和 -1349 米）。z轴被夸大了 3 倍。（A ）沿xz横断面的含水量和温带冰厚度与y坐标 1300 米相交（与图 4同一平面）在图片查看器中打开)。在横断面观察者一侧的地形采用透明度处理。(A) 中的粉色虚线环突出显示了地形槽中增厚的温带冰区域，而 (A) 中的白色虚线环突出显示了地形隆起上方变薄的温带冰区域。此处和 (C) 中的紫色表示水含量为 0。( B ) 横断面与 (A) 相同，显示速度大小，流向为粉色，轴方向和尺寸可见。( C ) 水含量映射到 750 条流线上，流线起源于坐标为 [(3000, 0, −1083.3), (3000, 4000, −1083.3)] 的线，如 (D) 中的黑色虚线所示。( D ) 与 (C) 相同，但有变形热。(C) 和 (D) 中的粉色虚线突出显示了高但可变的变形加热，其中粒子靠近粗糙地形的底部。(C) 和 (D) 中的白色虚线突出显示了地形突起处的高变形加热。 (C) 和 (D) 中的白色虚线突出显示了变形加热程度较低的冷冰区域。( E ) 与 (C) 相同，但速度矢量的z分量映射到流线上。( F ) 与 (C) 相同，但速度矢量的y分量的大小映射到流线上。(F) 中的白色环突出显示了地形突出度较高的区域周围的高绝对值 ( u y ) 区域。
温冰流动的规律
冰川的流动本质上是一种“蠕变”现象，即冰在长期应力作用下像黏稠的流体一样缓慢变形。1950年代，英国物理学家John Glen通过实验发现，冰川冰的应变率与应力的关系可以用以下公式描述：
ϵ˙=A⋅τ^n
其中：A 是流动系数，与温度和冰的微观结构有关；n 是应力指数，John Glen的实验表明 。
这一规律被称为格伦流动定律，后来成为冰川流动模型的核心。它的关键结论是冰川的流动对应力极其敏感，应力增加，应变率增加，当冰川变薄或失去支撑时，其流动速度会非线性加速，导致冰盖更快崩塌，海平面更快上升。
然而，这一规律主要基于温度低于-2°C冷冰的实验数据，而现实中温冰的温度接近融点，晶界甚至含有0.8%~2%的液态水，这类冰的流变行为是否仍然符合格伦流动定律？这一问题对预测冰盖稳定性至关重要。
为了回答这个问题，美国爱荷华州立大学和威斯康星大学的研究团队设计了一项大规模剪切实验，他们制作了直径0.9米、厚0.17米的大型冰环，并在精确控温（±0.01°C）的条件下施加不同的剪切应力（0.05~0.24 MPa），模拟冰川底部的真实环境。
实验结果表明，在应力≤0.18 MPa时，温冰川冰的流动几乎是线性的，应变率与应力成正比；在应力扩大到0.22 MPa，n值也仅略微上升至1.16±0.10；仅在极高应力0.21~0.24 MPa，n值才接近4.0，符合传统格伦流动定律。
也就是说，温冰川冰在大多数自然环境下的流动远比我们想象的慢，应力增加1倍，流动速度仅增加约1倍，而非8~16倍，这一发现对冰川动力学建模至关重要，意味着冰盖对压力变化的响应可能更稳定，不会因局部应力增加而突然加速崩解，而传统模型可能高估了冰川的流动速度，从而高估了海平面上升的速率。
此外，温冰的另一个关键变量是液态水含量，此前的研究表明，水含量越高，流动系数A指越大，冰越“软”。但这项最新的研究发现，当水含量小于0.6%时，应变率确实会随水含量增加而上升，但当水含量大于0.6%后，应变率几乎不再变化。
为什么超过0.6%后不再影响冰的流动？这一现象可以用“晶界再冻结”机制解释，在高压区，晶界受压，冰因压力降低熔点而局部融化，水沿晶界迁移至低压区，而在低压区，水重新结冰并释放潜热，热量传导回高压区，维持循环。当水含量大于0.6%时，晶界已足够畅通，热传导速率成为限制因素，而非水流阻力，因此进一步增加水含量不会显著加速流动。
不过，研究团队也指出，目前实验仅覆盖0.05~0.24 MPa的应力范围，而某些极端环境的应力可能更高（n→4），因此，未来需结合更多野外观测验证这一理论。
图：冰剪切变形过程中晶粒尺度再凝固示意图
热流流向熔化晶粒边界，该边界低于最大压缩主应力 (σ 1 )，熔化温度在此下降幅度最大（冷色）。 融水沿可渗透晶粒边界流动，流向低于最小压缩主应力 (σ 3 ) 的边界，该边界熔化温度下降幅度最小（暖色），晶粒通过重新冻结而生长。 沿晶粒边界显示的通道是示意性的，与晶粒不成比例。
❓思考题：当温冰川冰的液态水含量超过多少时，其流动速度不再显著增加？
A.0.1%
B.0.6%
C.1.5%
D.3.0%
参考答案：（点击查看）
B.
解析： 实验表明，当水含量>0.6%后，应变率趋于稳定，因为此时晶界再冻结的速率受限于热传导而非水含量，水含量<0.6%时，冰会随水增加而软化。
冰川流动规律的微小修正，可能对海平面预测产生深远影响，这项研究首次通过实验证明，温冰的流动比传统理论预测的更稳定，这不仅刷新了我们对冰川物理的认知，也为更准确的气候模型奠定了基础。
参考文献：Linear-viscous flow of temperate ice. Science，9 Jan 2025，Vol 387, Issue 6730，pp. 182-185，DOI: 10.1126/science.adp7708