记者探访了芬兰的阿尔托冰与波浪水池——全球最大的海冰研究设施，看看科研人员如何模拟地球上最严酷的环境。
位于芬兰埃斯波的阿尔托冰与波浪水池长宽各40米，是全球表面积最大的冰水池。从去年开始，它也成为世界上唯一一个能在生成海冰的同时制造多向波浪场的宽体冰水池。
今年三月，媒体记者在水池旁见到了阿尔托大学冰力学副教授阿尔图·波洛耶尔维。他在这里工作了20年，而全世界目前仅有五六个类似的设施在运行。波洛耶尔维告诉我：“这让我们能够完成一些在其他地方几乎无法开展的工作。”
这项工作正变得越来越紧迫。
“即使冰变少了，”他补充道，“活动却变多了。”越来越多的船只驶入它们没有能力应对的冰区
海上风电正在向冰封的海域推进。仅波罗的海一地，就有数十吉瓦的在建海上风电容量规划，而芬兰几乎所有的贸易都要经过每年冬天都会封冻的港口。
让冰从下往上生长
自然界的冰是从上往下生长的。水面先冻结，冰层向下增厚。而在水池里，这个过程是反着来的。
一个被称为“桥”的巨大橙色结构沿着轨道在水面上方移动。它的下方悬挂着一根黑色的管子。波洛耶尔维解释说：“我们实际上是在空气中喷洒一种掺了乙醇的极细水雾。”这些液滴在坠落过程中冻结，落到水面，堆积成薄薄的一层。桥移动、喷洒，冰层随之增厚，直至达到目标厚度，通常在2.5到7.5厘米之间。
实验大厅的温度保持在零下11或12摄氏度左右。一旦冰层达到所需厚度，就会通过调节温度来巩固冰的物理特性。波洛耶尔维说：“这是一个关键过程，能让我们真正实现对冰的精确控制。”乙醇让空气中带着一股淡淡的溶剂味，每隔几年，就会有数千升乙醇被加入水池，任其缓慢蒸发。
实验通常按1:30的比例进行，船模的体积在5升左右。冰需要复现的是真实海冰的力学特性，而非其绝对的硬度，因此有意做得很脆弱。波洛耶尔维说：“你基本上可以走进水池，用手穿过冰层捞起一些冰，手感几乎像雪泥。它不是那种非常坚硬的冰，但具有按比例缩放后的冰特性。”
尽可能采用最大尺寸进行试验是一种刻意的选择。“如果我们的模型很大，那么很容易推算出真实结构所承受的全尺度冰载荷是多少，”波洛耶尔维说。模型越小，这种换算就越困难，得出的结论也越不可靠。
水池按设计能制造出均匀的冰场，这既是优势，也是局限。真实的海冰并非均质，它有盐度变化和结构杂质，而这些都是水池无法复制的。“光是均质材料就已经让问题变得非常复杂了，如果再在此之上叠加材料本身的变异性，实验结果的解读将变得极为困难，”波洛耶尔维说。
标准的做法是先用洁净冰域的实验结果验证计算模型，然后在模拟中引入可控的变异性。水池也能制造冰脊——即冰原相互碰撞挤压形成的堆积体，可向下延伸数十米深，不过这并非常规操作，只是偶尔为之。
每一片冰层都需要一整天的生长时间。测试在第二天进行，首先是对从冰层上切下的冰梁进行抗弯强度、杨氏模量和抗压强度的测量。然后持续试验，直到水池中漂满碎冰。桥把这些碎冰推向一个带坡度的排水口，碎冰会进入办公室下方的融冰池，水被回收利用，然后整个过程重新开始。正常节奏是每周造两片冰，三片也可以，但那需要有人在周日加班。
设施内没有窗户。任何自然光都会引发水中的生物生长，影响水下能见度，而这本身就是实验中最难控制的变量之一。波洛耶尔维解释说，尽管如此，每隔几年，水还是会变得浑浊，届时就必须把整个水池排空再重新注满。
冰对船舶究竟有什么影响
大多数没在这个领域工作过的人，会把冰想象成一个障碍物，一艘船要从中穿过。“它会对船舶产生阻力，让船难以移动，这时就需要更大的动力，”波洛耶尔维说。
最坏的情况是船停下来，被困住。如果再加上冰漂移——即风和洋流推动的冰原运动——一艘被困的船最终可能不是穿冰而行，而是随冰而动。在极端恶劣的情况下，冰会刺穿船体。“那甚至可能带来灾难性的后果，”他补充道。
“我们可以进行船舶操纵试验，让船做大角度转弯，真正测试它们不但能直线航行，也能顺利转弯的性能，”波洛耶尔维说。破冰船开辟出航道后，船舶需要从中驶出，这种“出航道”操作也能在此测试，而大多数冰水池无法容纳这样的试验。
越来越受关注的被研究船舶并非破冰船，而是那些为开阔水域优化设计、却最终仍进入冰区航行的船只，其船员往往在这些条件下经验有限。“越来越多的船需要破冰船援助，因为它们根本不具备在冰中航行的能力，”波洛耶尔维说。
冰本身也在发生变化，这使情况更加复杂。“冰实际上非常接近其融点，从工程角度来看，这让与它打交道变得极具挑战性，”波洛耶尔维说，“这是一种行为特性极难把握的材料。”随着气候变暖使海冰温度升高，其力学特性正以人们尚未完全理解的方式发生着改变。
冰冻海面上的风力涡轮机
“如果我们想拥有一个无碳的芬兰，或任何一个北方国家，就必须开始在冰封的海域建设海上风电，”波洛耶尔维说。芬兰国防军限制了东部边境附近的风能开发，这促使规划中的风电场向北推移，而那里的冰情更加严重。
“海上风力涡轮机是一种很有趣的工程结构，它们体量巨大，却又非常纤细，容易产生振动并切实地对环境作出响应，”他说。对于这样的结构，海冰是极端的载荷。了解冰会施加多大的力，以及涡轮机的响应如何反过来改变这种载荷，正是水池中风力涡轮机实验正在攻克的课题。
大规模风电场还可能改变局部的冰动力学特征，这是芬兰交通部门几年前就提出的担忧。一个单独的风电场就能覆盖数百平方公里，包含上百台涡轮机。
波洛耶尔维已构建了整个波罗的海的地球物理仿真模型来模拟这个问题：可以让船舶在其中航行，改变冰情和风电场结构。“如何让风能生产与冬季航运相兼容，”他说，“是一个挑战。”目前尚无针对此问题的立法。
米级尺度的建模
波洛耶尔维的团队使用离散元建模方法，以米级分辨率模拟大约100公里乘100公里的海域。“这意味着我们无需在大范围区域内对冰的性质进行平均化处理，”他说，“我们实际上可以对海冰行为进行米级尺度的研究。”
模拟结果会反馈回水池的物理实验中，模型也需借助水池数据进行验证，然后才被用于研究水池无法在物理上复现的条件和尺度。
当被问及即便如此规模，什么实验仍无法实现时，他并没有给出一个明确的答案。“作为一个研究者，我倾向于认为我们可以做任何类型的实验；这在很大程度上取决于你如何对特定问题进行缩尺处理。”他说，能将多大尺度的海冰动力学实验搬进水池，同时仍能获得可靠的结果，是他们仍在探索的事情。
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