Drift, Deformation, and Fracture of Sea Ice: A Perspective Across Scales

یخ دریا یکی از اجزای اصلی محیط‌های قطبی است، به‌ویژه در قطب شمال، جایی که کل اقیانوس منجمد شمالی را در بیشتر طول سال می‌پوشاند. با این حال، در زمینه تغییرات آب و هوایی، پوشش یخی دریای قطب شمال در دهه‌های گذشته، چه از نظر غلظت و چه از نظر ضخامت، به طور قابل توجهی کاهش یافته است. تکامل پوشش یخ دریا و تغییرات آب و هوایی به شدت از طریق بازخورد مثبت آلبیدو همراه است، بنابراین احتمالاً تقویت قطب شمال گرم شدن آب و هوا را توضیح می دهد. علاوه بر ترمودینامیک، سینماتیک یخ دریا (رانش، تغییر شکل) به عنوان یک عامل اساسی در تکامل پوشش یخی از طریق کاهش میانگین عصر یخبندان (و در نتیجه ضخامت پوشش)، یا صادرات یخ به خارج از قطب شمال ظاهر می‌شود. این اولین انگیزه برای درک بهتر فرآیندهای سینماتیکی و مکانیکی یخ دریا است. انگیزه نظری بالادستی، درک بهتر تغییر شکل شکننده اجرام ژئوفیزیکی در طیف وسیعی از مقیاس‌ها است. در واقع، با توجه به سینماتیک بسیار قوی آن، به عنوان مثال در مقایسه با در پوسته زمین، مجموعه داده‌های سینماتیکی بی‌رقیب برای یخ‌های دریا از درجا (مانند شناورهای شناور) یا مشاهدات ماهواره‌ای در دسترس است. در اینجا، پیشرفت‌های اخیر در درک رانش یخ دریا، تغییر شکل و شکستگی به‌دست‌آمده از این داده‌ها را مرور می‌کنیم. ما به ویژه بر روی ویژگی های پوسته پوسته شدن در زمان و مقیاس که این فرآیندها را مشخص می کند، تمرکز می کنیم و بر تشابهاتی که می توان از تغییر شکل پوسته زمین به دست آورد، تأکید می کنیم. این ویژگی های پوسته پوسته شدن، که امضای برهمکنش های الاستیک دوربرد درون پوشش هستند، پیشرفت های آینده در مدل سازی مکانیک یخ دریا را محدود می کنند. ما همچنین نشان می‌دهیم که متغیرهای سینماتیکی و رئولوژیکی مانند سرعت متوسط، متوسط ​​نرخ کرنش یا استحکام به طور قابل‌توجهی در دهه‌های گذشته تغییر کرده‌اند و کاهش یخ‌های دریای قطب شمال را همراهی کرده و در واقع تسریع کرده‌اند.

Sea ice is a major component of polar environments, especially in the Arctic where it covers the entire Arctic Ocean throughout most of the year. However, in the context of climate change, the Arctic sea ice cover has been declining significantly over the last decades, either in terms of its concentration or thickness. The sea ice cover evolution and climate change are strongly coupled through the albedo positive feedback, thus possibly explaining the Arctic amplification of climate warming. In addition to thermodynamics, sea ice kinematics (drift, deformation) appears as an essential factor in the evolution of the ice cover through a reduction of the average ice age (and consequently of the cover's thickness), or ice export out of the Arctic. This is a first motivation for a better understanding of the kinematical and mechanical processes of sea ice. A more upstream, theoretical motivation is a better understanding of the brittle deformation of geophysical objects across a wide range of scales. Indeed, owing to its very strong kinematics, compared e.g. to the Earth’s crust, an unrivaled kinematical data set is available for sea ice from in situ (e.g. drifting buoys) or satellite observations. Here, we review the recent advances in the understanding of sea ice drift, deformation and fracturing obtained from these data. We focus particularly on the scaling properties in time and scale that characterize these processes, and we emphasize the analogies that can be drawn from the deformation of the Earth’s crust. These scaling properties, which are the signature of long-range elastic interactions within the cover, constrain future developments in the modeling of sea ice mechanics. We also show that kinematical and rheological variables such as average velocity, average strain-rate or strength have significantly changed over the last decades, accompanying and actually accelerating the Arctic sea ice decline.