Ученые выяснили, как форма тающего льда зависит от температуры воды

Группа математиков и физиков обнаружила, как ледяные образования формируются под воздействием внешних сил, таких как температура воды. Это исследование поможет предложить еще один способ измерения факторов, вызывающих таяние льда.

В Лаборатории прикладной математики Нью-Йоркского университета и в Центре исследований мягких материалов была проведена серия экспериментов по изучению таяния льда в воде и, в частности, влияния температуры воды на конечные формы и узоры льда. Для этого ученые создали сверхчистый лед, в котором нет пузырьков и других примесей. Команда зафиксировала таяние льда, погруженного в резервуары с водой в «холодильной комнате», похожей на встроенный холодильник, температура которого регулируется и варьируется.

«Мы сосредоточились на низких температурах — от 0 до 10 градусов по Цельсию, — при которых обычно тает лед в природных водах, и обнаружили удивительное разнообразие образовавшихся форм», — говорит Ристроф, руководитель Лаборатории прикладной математики.

В частности, при очень низких температурах - ниже примерно 5 градусов по Цельсию - кусочки приобретают форму шипа или «вершины», направленной вниз, похожей на сосульку, но совершенно гладкой (без ряби). При температурах выше примерно 7 градусов по Цельсию формируется та же основная форма, но перевернутая — шип, направленный вверх. В промежутках между температурами лед имеет волнистые узоры, расплавляющиеся на его поверхности. Подобные узоры, называемые «гребешками», встречаются в природе на айсбергах и других ледяных поверхностях.

Эти отличия формы обусловлены изменениями потоков воды, которые определяются их температурами. Жидкая вода имеет очень необычную зависимость плотности от температуры, в частности, максимум плотности составляет около 4 градусов по Цельсию, поясняет  Ристроф и добавляет:  «Эта 'аномалия плотности' делает воду уникальной по сравнению с другими жидкостями».

Исследования показывают, что это свойство отвечает за создание очень разных потоков в зависимости от точного значения температуры воды . Нисходящие вершины при низких температурах связаны с восходящими потоками, а восходящие вершины — с нисходящими потоками. Зубчатые узоры образуются из-за того, что восходящие потоки очень близко к поверхности взаимодействуют с нисходящими потоками дальше, дестабилизируясь в вихри, которые вырезают ямы во льду.

«Наши результаты помогают объяснить некоторые характерные формы льда, встречающиеся в природе, в частности, так называемую вершинную морфологию айсбергов, состоящую из острых шипов или шпилей, и так называемые гребешки, состоящие из волнистых узоров ям», — отмечает Ристроф.

«Более широкий контекст этой работы связан с изменением климата Земли и увеличением скорости таяния льда на нашей планете, — продолжает он. — Важно лучше понять подробную физику и математику таяния в меньших масштабах, поскольку они являются ключевыми компонентами крупномасштабных моделей климата».

Источник: phys.org