冰的生长如何依赖于其下方的流体动力学

水体中耦合固化或融化的对流流动在塑造地球物理景观中起着主要作用。尤其在全球气候变暖背景下，准确量化水体环境如何与冰形成或融化过程动态相互作用至关重要。先前研究揭示了结冰过程的复杂性，但常忽略水最显著的独特性之一——其密度反常，以及由湍流和相变引发、以复杂方式相互作用并耦合的层化层。通过结合实验、数值模拟与理论建模，我们研究了淡水的固化，恰当考虑了相变、水密度反常以及冰和水相的真实物理属性，我们表明这些对正确预测不同的定性与定量行为必不可少。我们识别出随着热驱动增强而出现的四种不同流动动力学机制，其中冰前沿、稳定与不稳定层化水层之间发生不同程度的耦合。尽管冰前沿与流体运动间存在复杂相互作用，但平均冰厚度与生长速率仍可由理论模型很好捕捉。揭示出热驱动对全局结冰过程的时间演化有主要影响，在当前参数区间内其可从几天变化至几小时。我们的模型可应用于不同热与几何条件（如冷却条件或水层深度）下发生结冰动力学的一般情形。