海冰的排盐机制：海水结冰时为何会析出盐分形成卤水通道

海水结冰时析出盐分并形成卤水通道，这是由水的结晶特性和盐分在其中的溶解度决定的。这个过程被称为“排盐”或“卤水排出”。以下是详细的机制解释：

• 冰的晶体结构： 冰是水分子（H₂O）通过氢键形成的规则晶体结构（六方晶系）。这个晶格结构非常“纯净”，只适合容纳水分子本身。
• 离子/分子大小和电荷不匹配： 溶解在海水中的盐分（主要是 NaCl，还有 MgCl₂、CaSO₄ 等）是以离子（Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, Ca²⁺, SO₄²⁻）或水合离子的形式存在的。这些离子的大小、形状和电荷分布与水分子的晶格格位不匹配，无法被有效地纳入到冰的晶格中。
• 动力学排斥： 在冰晶生长的前沿（固-液界面），水分子优先加入晶格并固定下来。溶解的盐离子会被结晶前沿“推开”或“扫”到尚未冻结的液相区域。这类似于筛子或过滤器的作用，冰晶只允许水分子通过。

• 局部盐度升高： 随着结冰过程的进行，越来越多的水分子离开液态海水加入冰晶，而盐分则被留在剩余的液态海水中。因此，在冰晶之间或冰层下方尚未冻结的海水中，盐的浓度会急剧升高。
• 形成高盐卤水： 这种高盐度的液态海水被称为卤水。其盐度远高于原始海水（原始海水盐度约为 35‰），有时可以达到 100‰ 甚至更高。

• 过冷和密度差异： 高盐度的卤水具有两个关键特性：
  • 冰点降低： 盐度升高会显著降低溶液的冰点。高盐卤水在远低于 0°C 的温度下仍能保持液态（过冷状态）。
  • 密度增大： 盐度升高会增加溶液的密度。高盐卤水比周围较低盐度的海水或新形成的冰密度更大。
• 重力驱动排出： 由于密度更大，卤水在重力作用下有向下运动的趋势。同时，在冰晶之间或冰层内部存在微小的缝隙、孔洞或晶界。
• 通道形成： 这些高盐、过冷的卤水会沿着冰晶之间的缝隙向下渗透和排出。在合适的条件下（如冰层足够厚、温度梯度合适），这些卤水会汇聚形成可见的、贯穿冰层的卤水通道。这些通道可能是垂直的、曲折的或网状结构。
• 热力学驱动排出： 随着冰层温度进一步降低（例如在寒冷的冬季），即使在高盐度下，部分卤水也会开始冻结。但卤水冻结时，同样遵循“排盐”原则，冻结出的冰晶纯度相对较高，而残留的卤水盐度会变得更高、冰点更低。这部分更高盐的卤水会继续寻找路径排出（向下或向更低温度区域迁移）。这种持续的排盐过程是卤水通道得以维持和扩展的重要原因。

• 海冰盐度低于海水： 由于排盐作用，新形成的海冰本身所含的盐分远低于原始海水。典型的一年冰在刚形成时盐度可能接近海水盐度，但随着时间推移（几周到几个月）和排盐过程的持续，其整体盐度会逐渐下降至 5‰ - 15‰ 左右（具体取决于冰龄、温度和结构）。
• 卤水残留： 并非所有卤水都能完全排出。部分卤水会被包裹在冰晶之间的空隙中，形成微小的卤水囊。这些残留的卤水是导致海冰整体盐度不为零的主要原因。
• 多孔结构： 卤水通道和残留的卤水囊使得海冰具有多孔性和渗透性，这与淡水冰（如湖冰、河冰）的致密结构截然不同。这种结构对海冰的物理性质（如强度、热学性质）和生态功能（为微生物提供生存空间）至关重要。

海水结冰时析出盐分形成卤水通道的核心机制是：冰的纯净晶体结构排斥盐离子，导致盐分在未冻结的液相中浓缩形成高盐卤水；高盐卤水的低冰点和高密度特性，驱动其通过冰晶间隙向下迁移并形成通道。 这是一个持续的、受热力学和流体动力学驱动的过程，最终导致海冰盐度低于海水，并形成独特的、富含卤水的多孔结构。