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【科研不断线】建工学部新成果支撑我国南极科考物资冰面运输安全

时间:2022-06-01   来源:建设工程学部   作者:王庆凯   

极地是我国战略新疆域,我国“十四五”规划部署了“参与北极务实合作,建设冰上丝绸之路”“极地立体观监测平台和重型破冰船研制”和“雪龙探极二期建设”等一系列重大科研项目。在我国南极科考中,为科考站进行物资补给是一项重要工作,由于考察站前水深和冰情的限制,科考物资先从船上卸放在冰面上,然后再用直升机和雪地车运输。如何确保科考物资的冰上卸货安全,一直是困扰我国极地工作者的关键问题。近日,我校建设工程学部海岸和近海工程国家重点实验室在南极海冰力学研究上取得重要进展,研究成果揭示了普里兹湾固定冰的力学性质,建立了基于孔隙率的海冰关键力学参数预报和冰层承载力设计方法,为保障我国南极中山站冰上卸货安全提供科学支撑。

该研究是“雪龙2”号破冰试验的后续工作。2019年,王庆凯副教授代表我校参加我国首艘自建极地科考破冰船“雪龙2”号的南极首航破冰试验,在普里兹湾固定冰层上提取出大型完整冰坯。该冰坯经低温保存运回我校海岸和近海工程国家重点实验室,随后开展了历时半年的海冰物理和力学性质试验。研究结果给出了普里兹湾不同晶体类型冰的压缩强度、弯曲强度和弹性模量的变化范围。针对卤水体积分数无法准确评价海冰力学性质的问题,选择更为全面的海冰物理性质指标——孔隙率,定量给出了弯曲强度、弹性模量和压缩强度随孔隙率的变化规律。

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图1 普里兹湾固定冰力学性质

冰层承载力是决定冰面能承受多少物资的关键参数,由海冰弯曲强度和弹性模量计算确定。冰上卸货属于以海冰为依托的工程范畴,为保证安全,需要考虑冰层承载力的下限。在极地恶劣环境下,相比测试海冰物理性质,现场海冰力学试验总是费时费力。为此,基于试验结果,本研究以孔隙率确定海冰弯曲强度下限和弹性模量上限,进而确定冰层承载力的设计值。这一方法利用较易测量的海冰物理参数,快速评估普里兹湾固定冰承载力设计值,支撑我国南极科考中山站冰上卸货的安全保障。

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图2 以孔隙率评估普里兹湾固定冰力承载力设计值

研究成果以“Flexural and compressive strength of the landfast sea ice in the Prydz Bay, East Antarctic”为题发表在地球科学领域权威期刊The Cryosphere上(https://doi.org/10.5194/tc-16-1941-2022)。文章第一作者为王庆凯副教授,通讯作者为李志军教授。该研究工作得到国家自然科学基金(52192692、41906198、41922045)、中央高校基本科研业务费(DUT21RC3086)和辽宁省兴辽英才项目(XLYC2007033、XLYC1908027)支持。

除极地海冰工程研究外,李志军教授团队同时关注冰物理与生态的关系。在国家重点研发计划(2019YFE0197600)等项目的支持下,团队关于乌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”为题发表在The Cryosphere上(https://doi.org/10.5194/tc-16-1793-2022)。李志军教授是该文章的通讯作者。

编辑:秦博昱   
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