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南极冰事（35）水中冰花
张武昌 2025年8月7日星期四
（一）
海冰上表面的空气低于零下2摄氏度，而下表面的海水温度为零下1.9摄氏度。热量从海水中向海冰和空气散失，在海冰的下表面形成新的海冰。海水在结冰的过程中释放其中溶解的盐分，形成了盐度更高的海水称为卤水。卤水的盐度高，所以冰点（结冰时的温度）较低，而密度较高，称为过冷海水 supercooled water。
这些卤水在松散的新生冰的间隙集聚起来，它们的温度很低，低于正常海水的冰点，然而它们的密度比周围海水高，所以在一定的条件下，它们开始下沉，形成下沉的卤水流。由于卤水流的温度低于周围海水的冰点，所以在卤水流的外围形成管状的冰筒。
这些倒挂的冰筒常常不止一个，景象蔚为壮观，称为冰钟乳。但是不同的是，冰筒是空心的，而洞穴中的钟乳石是实心的。
如果冰筒持续向下延伸，直达海底，就会形成死亡冰柱。2011年，BBC摄制组在Erebus火山附近的南大洋拍摄了死亡冰柱。
卤水甚至沿着海底斜坡继续流淌，形成了锚冰（与陆地固定在一起的冰anchor ice）。有些不幸的生物没有来得及逃脱，被冰冻致死，这就是被称为死亡冰柱icicle of death的原因。
这些画面出现在纪录片《冰冻星球》中，引起了观众的极大好奇和赞叹。
然而，死亡冰柱是在海水平静的情况下出现的情景，在海水不平静时，则是另一番景象。
（二）
如果海水不平静，下沉的卤水不能形成水流，会与周围的海水迅速混合，低温导致海水结冰，形成冰晶，多数冰晶为扁平的片状，称为水内冰、片冰，英文为frazil ice。
这些水内冰花会逐渐上浮，在海冰的下表面堆积，导致海冰下表面呈现毛茸茸的景象。
科学家在考察时会将仪器从冰洞中下放到海水中，当回收仪器是，绳索上有时会附着有这些片冰。
随着冬季到来，这些毛茸茸的冰层逐渐冻结，成为海冰的一部分。这部分冰层被称为platelate ice，片冰层，区别于其上的柱冰层granular ice, columnar ice。
科学家在南极进行了多年片冰层观测，发现柱冰层在0-4米之间，而片冰层可达8米，如下图的2013年。
而断面的结果也显示片冰层的厚度大于柱冰层。
（三）
当下沉的卤水没有形成片冰，就会继续下沉。这些下沉的卤水沉到海底，一部分向深海方向一直沉到4000米深的海底形成南极底层水AABW (AntArctic Bottom Water)，一部分向南极大陆的方向移动，深入到冰架和海底之间的空洞中。
在这个空洞中，冰架是淡水组成的，两者之间有盐度差，加上温度差，冰架的淡水在融化和溶解的共同作用下变成海水，因此卤水的盐度降低，浮力增加，沿着冰架下部的斜坡上升。
同样盐度的海水在不同的压力（深度）下的冰点不同，例如盐度为34.5的海水在表层的冰点是零下1.86度，在1000米深处的冰点为零下2.62度。
因此上升的海水在冰架的底部形成片冰，并逐渐冻结成结实的海冰。这一过程称为冰泵ice pump，因为整个过程好像是将冰架下表面下部的冰移动到上部。
冰泵的作用也改变了冰架的组成。原来的冰架都是陆地来源的冰，为淡水冰，而且内部充满了冻结时封闭在其中的古老空气。后加上的冰是海洋来源的冰marine shelf-ice，在片冰集聚的过程中，还会粘附海水中的各种颗粒和溶解成分，导致冰架下层冰出现不同的颜色。
当冰架断裂形成冰山，而冰山发生翻转之后，那水中冰花最终来到了海面之上。这些奇怪的冰山不是淡水冰的白色和蓝色，而是其他的颜色如绿色。
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