芬蘭艾爾託冰與波浪水槽揭示極地環境挑戰

芬蘭埃斯波的 Aalto 冰與波浪水槽，面積達 40 米乘 40 米，為全球面積最大的冰水槽。至於去年，它也是唯一一個能夠生成多方向波場以及海冰的寬型冰水槽。Interesting Engineering 在三月於水槽現場會見了 Aalto 大學冰力學副教授 Arttu Polojärvi。他在這裡工作了 20 年，全球只有五至六個類似設施在運作。「這使我們能夠進行在其他地方無法實現的工作。」

Polojärvi 表示。隨著冰層變薄，這項工作變得愈加迫切。「即使冰層減少，活動卻在增加。」他補充道，「越來越多的船隻進入它們無法適應的水域。」「離岸風能正在向被冰覆蓋的海域推進。」波羅的海計劃的離岸風電容量達數十吉瓦，而芬蘭的貿易幾乎全部通過每年冬季會結冰的港口進行。正在研究的船隻主要是為開放水域優化的艦艇，最終卻進入了冰區。

芬蘭的 Aalto 冰水槽為海冰研究提供獨特平台

自然冰是由上而下形成的，表面最先結冰，然後冰層向下增厚。在水槽中，這個過程則是相反的。一個大型橙色結構稱為橋樑，沿著水面上的軌道移動。在它的下方懸掛著一根黑色管道。「我們實際上在空氣中噴灑一種添加了乙醇的水霧，」Polojärvi 解釋道。水滴在下落過程中結冰，落在水面上，形成薄薄的一層。橋樑移動並噴霧，冰層逐漸增厚，通常達到 2.5 至 7.5 釐米的目標深度。

房間的温度保持在約 -11 或 -12 攝氏度。一旦冰層達到適當的厚度，温度調整將鞏固冰的特性。「這是一個關鍵的過程，我們能夠真正控制冰的性質。」Polojärvi 説。乙醇使空氣帶有微弱的溶劑氣味，每隔幾年，數千升乙醇會被添加到水槽並緩慢蒸發。實驗通常以 1:30 的比例進行，船模型約佔 5 升的體積。冰層需要模擬全尺寸海冰的機械特性，而不是其絕對硬度，因此故意保持較弱。

「基本上你可以進入水槽，將手伸進冰層，取出一些冰，感覺幾乎像泥漿，」Polojärvi 表示。「這不是非常堅硬的冰，但它具有縮放的特性。」

在可能的最大尺度上進行測試是一個有意的選擇。「如果我們有一個非常大的模型，那麼就容易説出實際結構的全尺寸冰載荷。」Polojärvi 説。較小的模型使得這種轉換變得困難，結論也不夠可靠。水槽的設計能夠產生均勻的冰場，這既是優勢也是限制。真實的海冰並不均勻，具有鹽度變化和結構不純物，而這些都是水槽無法重現的。「這些問題用均勻材料已經變得如此複雜，如果我們再加入材料的變異性，最終會得到非常難以解釋的實驗結果。」

Polojärvi 説。標準的方法是將計算模型與清水槽的結果進行驗證，然後在模擬中引入控制變異性。該水槽還可以產生冰脊，這是當冰場碰撞時形成的壓縮堆積，深度可達數十米，但這是偶爾發生的，而非常規情況。

每片冰層需要一天的時間來生長。測試通常在隨後的一天進行，首先測量從冰層切割下來的冰樑的抗彎強度、楊氏模量和抗壓強度。測試然後將持續進行，直到水槽內充滿破碎的碎片。橋樑將這些碎片推向傾斜的排水口，這些碎片會進入辦公室下方的融化槽，水會被回收，過程再次開始。每週兩片冰是正常的速度，三片也是可能的，但需要有人在週日工作。設施內沒有窗户，任何自然光都會觸發水中的生物生長，影響水下能見度，這已經是測試中最難管理的變數之一。

每隔幾年，水會變得混濁，因此整個水槽需要排空並重新填充，Polojärvi 解釋道。

實際上，冰對船隻的影響與大多數人想象的不同。許多未在這個領域工作的人認為，冰是船隻推進的障礙。「這會對船隻造成阻力，使其更難移動，然後需要使用更多的動力。」Polojärvi 説。在最糟糕的情況下，船會停下來被困住。結合冰漂移，即受到風和洋流推動的冰場，被困的船隻可能會隨著冰的運動而移動，而不是通過冰進行移動。在最糟糕的情況下，冰可能會刺穿船體。「這可能會造成災難性的後果。」

他補充道。「我們可以進行船舶操作，進行大轉彎，真正測試他們不僅僅是直行的能力，而是通過轉彎。」Polojärvi 説，通道突破，即船隻必須偏離由破冰船開闢的路徑，也可以在此進行測試。大多數冰水槽無法容納這種情況。

正在研究的船隻越來越多不是破冰船，而是為開放水域優化的船隻，最終卻進入冰區，通常船員在這種情況下的經驗有限。「越來越多的船隻需要破冰船的幫助，因為它們根本無法在冰中移動。」Polojärvi 説。實際的海冰變化也使情況變得複雜。「冰實際上非常接近其熔點，這使得從工程的角度來看，處理它變得非常具有挑戰性。」Polojärvi 説。「這是一種行為極具挑戰性的材料。」

隨著暖化增加海冰温度，機械特性也以尚未完全理解的方式發生變化。

芬蘭的防衞部隊已經限制了東部邊界附近的風能發展，將計劃的產能推向北部，該地區的冰況更為嚴重。「如果我們想要實現無碳的芬蘭，或者任何北方國家，我們必須開始在被冰覆蓋的海域建立離岸風電。」Polojärvi 説。「離岸風力發電機是一種有趣的工程結構，因為它們尺寸巨大，但非常纖細，並且它們容易開始振動並真正對環境作出反應。」海冰對這種結構造成極端負荷。瞭解冰施加的力量以及風力發電機的反應如何改變這種負荷是水槽風力發電機實驗的工作重點。

大型風電場還可能改變當地的冰動態，這是芬蘭交通管理局幾年前提出的擔憂。單一的風電場可以覆蓋數百平方公里，並包含數百台風力發電機。Polojärvi 構建了一個整個波羅的海的地球物理模擬，以建模這個問題：船隻可以在其中運行，冰況和風電場結構變化。「如何使風能生產與冬季交通相適應，」他説，「是一個挑戰。」目前沒有針對這一問題的立法。

Polojärvi 的團隊使用離散元建模來模擬約 100 公里乘 100 公里的海域，以米級分辨率進行研究。「這意味著我們不必在大範圍內平均冰的特性。」他説。「我們可以實際上進行米級研究，觀察海冰行為。」結果反饋到水槽的實驗中，模型在使用前會與水槽數據進行驗證，以研究水槽無法物理再現的條件和規模。當被問及即使在這個尺度下仍然無法進行的實驗時，他並未給出明確的答案。

「作為研究人員，我喜歡認為我們可以進行任何類型的實驗；這很大程度上取決於如何縮放特定問題。」他表示，如何將多大規模的海冰動力學實驗帶入水槽並仍能產生可靠結果，仍在研究當中。