Исследователи из Нью-Йоркского университета установили, что температура воды оказывает влияние на форму тающего льда. Полученные данные позволят более точно учитывать факторы, способствующие таянию ледяных образований.
В ходе исследования, проводимого физиками и математиками из Нью-Йоркского университета, цилиндрические образцы льда длиной 15-20 сантиметров и несколькими сантиметрами в диаметре помещали в воду с температурой от 2 до 10 градусов Цельсия. Для проведения экспериментов использовали сверхчистый лед, не содержащий пузырьков воздуха и посторонних включений. Ученые наблюдали за процессом таяния цилиндров льда, поддерживая постоянную температуру воды вблизи стенок резервуара.
Форма тающего льда определяется температурой окружающей его воды. Например, при температуре четыре градуса и ниже, цилиндрические ледяные образования принимают форму конусов с вершиной, направленной вниз, и обладают идеально гладкой поверхностью. При температуре свыше семи градусов форма остается прежней, однако вершина конуса оказывается обращенной вверх. В диапазоне температур от пяти до семи градусов поверхность льда приобретает волнистую структуру. Аналогичные узоры можно наблюдать на айсбергах и других природных ледяных образованиях.
Исследователи высказали предположение, что различные формы льда могут быть связаны с различиями в температуре и плотности водных потоков, которые его окружают. Компьютерное моделирование стало подтверждением этой гипотезы. Процесс таяния приводит к возникновению температурных градиентов в воде, прилегающей к льду, вследствие чего плотность жидкости в разных зонах отличается. Под воздействием силы тяжести разница в плотности вызывает формирование потоков вдоль ледяной поверхности: более плотная жидкость погружается вниз, а менее плотная поднимается вверх, что обуславливает неравномерную скорость таяния и, как следствие, изменение формы.
В связи с тем, что плотность воды не изменяется линейно с температурой, а достигает максимума около четырех градусов Цельсия, потоки воды при температурах выше или ниже этой отметки движутся в противоположных направлениях. Вершины, направленные вниз, при низких температурах, обусловлены восходящими потоками, а вершины, смотрящие вверх, при более высоких температурах — нисходящими. Волнистые узоры возникают из-за взаимодействия восходящих потоков, расположенных близко к поверхности, с нисходящими потоками, находящимися на большем расстоянии, что приводит к дестабилизации и формированию вихрей, вырезающих борозды во льду.
Анализ данных исследования демонстрирует, что форма тающего льда позволяет определить температуру окружающей среды и объясняет особенности ледяных образований, наблюдаемых в природе. В частности, это касается появления на их поверхности острых шипов или шпилей, а также волнистых узоров.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.