IF=44.8！3个人，一篇Nature顶级综述！
学术
2024-10-06 22:25
河南
冰是地球表面重要的组成部分，因其在全球气候变化和水循环中扮演着关键角色而成为研究热点。随着气候变暖，冰的融化和冻结过程对海平面上升、生态系统变化及人类活动产生了深远影响。然而，冰与流体流动之间的相互作用仍然存在诸多挑战，例如如何准确描述不同条件下的冰动力学及其对流体流动的影响。鉴于此，清华大学Yihong Du, 孙超等在Nature Reviews Physics期刊上发表了题为“The physics of freezing and melting in the presence of flows”的最新综述论文。近年来，许多科学家在本综述中探讨了流体与冰的耦合过程，着重研究了标准化配置中的热分层自然对流、双重扩散对流及泥泞冰中的对流等现象。研究表明，这些流动与冰的相变过程密切相关，流体动力学与相变热力学的相互作用影响了冰的形态和融化速率。此外，研究还揭示了流体流动对冰体的影响，包括形状、夹杂物和气体的存在等因素，如何改变冰的冻结和融化动态。通过实验、数值模拟和理论分析，这些研究不仅提升了我们对冰与流体相互作用的理解，也为解决地球气候变化带来的挑战提供了新的视角和思路。这些成果为今后的基础研究指明了方向，强调了在流体力学和热力学领域进行深入探讨的必要性。（1）综述指出冰在全球尺度的地球过程和人类活动中发挥着核心作用，其动态建模对于理解冰的融化和冻结过程至关重要。这些过程通常与流体流动耦合，形成了流体力学与相变热力学之间的重要问题。近年来，研究者通过现场测量、实验室实验、数值模拟和理论分析等多种方法，深入探讨了流体-冰界面的耦合过程。（2）综述通过分析热分层自然对流中的淡水冻结和融化、盐水中双重扩散对流以及泥泞冰中的对流，揭示了流体-冰耦合过程的复杂性。研究显示，流动状态会显著影响冰前沿的形态和动态特征，尤其是在盐水环境中，夹杂物和气泡的存在进一步影响了冰的冻结和融化过程。（3）此外，综述还探讨了外部强制流动对冰层的影响，指出在这些情况下，流体动力学过程对于冰体的形态演化起着重要作用。最后，文献中提到了一些亟待解决的地球物理学问题，这些问题可以通过物理和流体动力学的基础研究来深化理解，为未来的研究方向提供了有价值的参考。图4: 纯水和盐水中冰的形成，以及多孔冰内部的对流运动。图7：冰冻圈中，存在流动时冻结和融化的一些示例场景。冰在地球环境中扮演着至关重要的角色，不仅影响全球气候系统，还直接关系到人类活动的可持续性。因此，深入理解冰的动态特性及其与流体流动之间的耦合机制是非常重要的。近年来，随着实验技术和数值模拟方法的发展，流体-冰界面的研究取得了显著进展。然而，关于冰在不同环境条件下的融化与冻结过程，以及这些过程对生态和气候变化的影响，仍有许多未解之谜亟待探索。特别是在热分层自然对流、盐水中的双重扩散对流及泥泞冰的流动等领域，仍需开展更多的基础研究。这些研究不仅有助于提高我们对冰与流体动力学相互作用的理解，也为制定应对全球变暖带来的挑战提供了重要的科学依据。未来，跨学科的合作将是推动这一领域进展的关键，通过结合流体力学、热力学及材料科学的知识，可以更全面地揭示冰在自然界中的复杂行为，进而促进我们在气候变化、生态保护等方面的应对策略。Du, Y., Calzavarini, E. & Sun, C. The physics of freezing and melting in the presence of flows. Nat Rev Phys (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00766-5🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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