極地是我國(guó)戰(zhàn)略新疆域。我國(guó)“十四五”規(guī)劃部署了“參與北極務(wù)實(shí)合作，建設(shè)冰上絲綢之路”、“極地立體觀監(jiān)測(cè)平臺(tái)和重型破冰船研制”和“雪龍?zhí)綐O二期建設(shè)”等一系列重大科研項(xiàng)目。在我國(guó)南極科考中，為科考站進(jìn)行物資補(bǔ)給是一項(xiàng)重要工作。由于考察站前水深和冰情的限制，科考物資先從船上卸放在冰面上，然后再用直升機(jī)和雪地車(chē)運(yùn)輸。如何確保科考物資的冰上卸貨安全，一直是困擾我國(guó)極地工作者的關(guān)鍵問(wèn)題。近日，我校建設(shè)工程學(xué)部海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在南極海冰力學(xué)研究上取得重要進(jìn)展，研究成果揭示了普里茲灣固定冰的力學(xué)性質(zhì)，建立了基于孔隙率的海冰關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)預(yù)報(bào)和冰層承載力設(shè)計(jì)方法，為保障我國(guó)南極中山站冰上卸貨安全提供科學(xué)支撐。
該研究是“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)的后續(xù)工作。2019年王慶凱副教授代表我校參加我國(guó)首艘自建極地科考破冰船“雪龍2”號(hào)的南極首航破冰試驗(yàn)，在普里茲灣固定冰層上提取出大型完整冰坯。該冰坯經(jīng)低溫保存運(yùn)回我校海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，隨后開(kāi)展了歷時(shí)半年的海冰物理和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。研究結(jié)果給出了普里茲灣不同晶體類(lèi)型冰的壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量的變化范圍。針對(duì)鹵水體積分?jǐn)?shù)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)海冰力學(xué)性質(zhì)的問(wèn)題，選擇更為全面的海冰物理性質(zhì)指標(biāo)—孔隙率，定量給出了彎曲強(qiáng)度、彈性模量和壓縮強(qiáng)度隨孔隙率的變化規(guī)律。
圖1普里茲灣固定冰力學(xué)性質(zhì)
冰層承載力是決定冰面能承受多少物資的關(guān)鍵參數(shù)，由海冰彎曲強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算確定。冰上卸貨，屬于以海冰為依托的工程范疇；為保證安全，需要考慮冰層承載力的下限。在極地惡劣環(huán)境下，相比測(cè)試海冰物理性質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)海冰力學(xué)試驗(yàn)總是費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此，基于試驗(yàn)結(jié)果，本研究以孔隙率確定海冰彎曲強(qiáng)度下限和彈性模量上限，進(jìn)而確定冰層承載力的設(shè)計(jì)值。這一方法利用較易測(cè)量的海冰物理參數(shù)，快速評(píng)估普里茲灣固定冰承載力設(shè)計(jì)值，支撐我國(guó)南極科考中山站冰上卸貨的安全保障。
圖2以孔隙率評(píng)估普里茲灣固定冰力承載力設(shè)計(jì)值
研究成果以“Flexural and compressive strength of the landfast sea ice in the Prydz Bay, East Antarctic”為題發(fā)表在地球科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《The Cryosphere》上（https://doi.org/10.5194/tc-16-1941-2022）。文章第一作者為王慶凱副教授，通訊作者為李志軍教授。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（52192692、41906198、41922045)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（DUT21RC3086）和遼寧省興遼英才項(xiàng)目（XLYC2007033、XLYC1908027）支持。
除極地海冰工程研究外，李志軍教授團(tuán)隊(duì)同時(shí)關(guān)注冰物理與生態(tài)的關(guān)系。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFE0197600）等項(xiàng)目的支持下，團(tuán)隊(duì)關(guān)于烏梁素海湖湖冰生消和能量收支的研究近期也以“Sunlight penetration dominates the thermal regime and energetics of a shallow ice-covered lake in arid climate”發(fā)表在《The Cryosphere》上（https://doi.org/10.5194/tc-16-1793-2022）。李志軍教授是該文章的通訊作者。
