Физики раскрыли странные формы, которые принимает лед при таянии при разных температурах

Тающий лед может принимать различные формы в зависимости от температуры воды вокруг него, показало новое исследование, дав нам новое представление о сложной физике, лежащей в основе этого обманчиво сложного перехода.

Команда исследователей создала для своих экспериментов сверхчистый "прозрачный" лед, без пузырьков и примесей, а затем наблюдала за таянием льда, когда его опускали в резервуары с пресной водой в специально созданной "холодной комнате".

Для детальной регистрации изменений формы льда использовалась замедленная съемка, а для подтверждения основных процессов, изменяющих форму льда при взаимодействии с окружающей водой, применялись математические модели.

Формы и узоры льда являются чувствительными индикаторами условий окружающей среды, при которых он таял, позволяя нам "читать" форму, чтобы сделать вывод о таких факторах, как температура окружающей воды", - говорит физик-экспериментатор Лейф Ристроф из Нью-Йоркского университета (NYU).

"Мы сосредоточились на холодных температурах - от 0 до 10 градусов Цельсия [от 32 до 50 градусов по Фаренгейту], при которых обычно тает лед в природных водах, и обнаружили удивительное разнообразие образующихся форм".

При очень низких температурах (менее 5 градусов Цельсия или 41 градуса по Фаренгейту) кусочки льда приобретали форму направленного вниз шипа. При более высоких температурах (выше 7 градусов Цельсия или 44,6 градусов по Фаренгейту) форма шипа была такой же, только на этот раз он был направлен вверх.

При промежуточных температурах лед становился волнистым и покрывался рябью по мере таяния. Это соответствует так называемым гребешковым узорам, которые иногда встречаются на тающем льду в природе. Различия обусловлены изменениями в потоке воды, который контролируется температурой, которая, в свою очередь, изменяется по мере того, как холодный лед просачивается в воду.

По мере таяния льда, объясняют исследователи, температура воды вокруг него становится слоистой, а это означает переменную плотность жидкости. Поскольку более тяжелая жидкость опускается, а более легкая поднимается под действием силы тяжести, таяние происходит с разной скоростью в разных местах льда, что и приводит к изменению формы.

Выше: Различные формы растаявшего льда при разных температурах окружающей воды.

Нисходящие шипы соответствуют восходящим потокам воды, а восходящие шипы - нисходящим потокам воды. Волнистые узоры возникают, когда восходящие и нисходящие потоки взаимодействуют друг с другом.

"Странность физики заключается в том, что жидкая вода имеет весьма необычную зависимость плотности от температуры, в частности, максимум плотности наблюдается при температуре около 4 градусов Цельсия", - говорит прикладной математик Скотт Уиди из Нью-Йоркского университета. "Эта "аномалия плотности" делает воду уникальной по сравнению с другими жидкостями".

Технически то, что мы здесь наблюдаем, похоже на неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, вызванную движением жидкостей с разными скоростями друг против друга. Она наблюдается во многих других сценариях в мире природы (например, облака на Земле и некоторых других планетах).

Все это означает, что ученые лучше знают, как таяние создает модели потоков, и как эти модели потоков влияют на дальнейшее таяние - представьте себе, например, айсберг посреди океана.

Возможно, в будущем мы сможем понять, как тает лед, просто взглянув на его форму. Поскольку запасы льда на Земле исчезают с постоянной скоростью, знание факторов, влияющих на этот процесс, становится все более важным.

"Наши результаты помогают объяснить некоторые характерные формы льда, наблюдаемые в природе, в частности, так называемую морфологию вершин айсбергов, состоящую из острых шипов или шпилей, и так называемые гребешки, состоящие из волнистых узоров ям", - говорит Ристроф.

"Более широкий контекст этой работы связан с изменением климата Земли и увеличением скорости таяния льда на нашей планете. Важно лучше понять детальную физику и математику таяния в малых масштабах, поскольку они являются ключевыми компонентами более масштабных климатических моделей".

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.