当海浪穿过被冰层覆盖的海域时，会使冰层发生弯曲并可能最终断裂。研究人员指出，厘清波浪诱发冰层断裂的过程并判断其发生条件，有助于提升对气候变化影响下海洋环境与生态系统变化的理解与预测能力。

巴黎物理与机械学实验室（PMMH）、ESPCI、法国国家科学研究中心（CNRS）、PSL大学、索邦大学和巴黎城市大学的研究团队近日公布一项实验室研究结果。论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），显示冰层（或其类比材料）发生断裂所需的应力水平，会随入射波浪的波长而变化。

论文资深作者斯特凡·佩拉尔德（Stéphane Perrard）在接受Phys.org采访时表示，团队自2021年以来尝试通过实验室尺度研究海洋波浪在漂浮冰上的传播，重点关注表面波导致薄冰层断裂的情形。研究还借鉴了E. Dumas Lefevbre和D. Dumont对破冰船尾波引发真实海冰断裂的监测工作，并采用尺度不变性的思路：在关键因素跨尺度保持一致的前提下，相同物理现象可在不同尺度上复现。

水槽实验复现“波浪致裂”

为在实验室中重现表面波引起的薄层断裂，研究团队在水槽中使用一种漂浮的脆性薄膜材料作为冰层的类比对象。佩拉尔德称，团队首先需要找到一种“比冰更软且足够脆弱”的材料，使其能够被厘米级表面波触发断裂。

研究人员最终选定一种可瞬间断裂的清漆材料，但该材料此前缺乏充分表征。随后，团队采用光学测量方法对低幅度波在清漆中的传播进行观测，包括数字图像相关（DIC）与轮廓测量技术，并以非侵入式方式提取材料的机械参数，如弹性与厚度。

在完成材料表征后，团队在水槽中开展多轮实验，生成不同波长与振幅的表面波，并记录清漆薄膜发生断裂的阈值条件。对数据的进一步分析显示，薄膜断裂与波浪特性存在显著关联，其中波长的影响尤为突出。

结果显示长波更易触发断裂

研究团队指出，既有理论模型通常认为，波浪引发冰层断裂发生在冰层内部应力超过某一临界值时。然而，本次实验观察到的现象与这一假设并不完全一致：较长波浪在更低应力水平下更容易使清漆薄膜断裂。

佩拉尔德表示，团队对“临界应力随入射波特性变化幅度如此之大”感到意外，并一度难以解释其含义。研究人员目前倾向于认为，这一行为可能与清漆材料的非均质性有关：由于材料内部存在广泛缺陷，长波激励更容易触发破裂。团队同时强调，这一解释尚无确凿证据，但他们认为海冰在波浪作用下的断裂机制可能需要重新审视，以检验是否存在类似趋势。

研究人员表示，上述初步发现可能推动该领域进一步研究；若相关假设得到验证，或将促使建立新的物理模型，以更好描述冰冷海域中波浪与冰层相互作用下的断裂演变。

团队同步开展实地观测

佩拉尔德补充称，团队也在推进海冰与波浪相互作用的实地研究，以缩小真实系统与实验室类比之间的差距。自2023年以来，研究团队与魁北克里穆斯基大学（UQAR）D. Dumont团队合作，在圣劳伦斯河口开展多年科学考察，其中一项目标是关注海冰被海洋波浪断裂的阈值，并希望在不久的将来对真实冰层的断裂过程进行测量与理解。

（来源：Science X Network，2026）