Учёные Нью-йоркского университета выяснили, что таяние льда зависит от температуры воды, окружающей лед. Данное исследование поможет учёным учитывать новые факторы, способствующие таянию льда.
В ходе исследования физики и математики из Нью-Йоркского университета в воду при температуре от двух до десяти градусов Цельсия помещались цилиндры из льда длиной 15-20 сантиметров и диаметром несколько сантиметров. Для экспериментов использовался сверхчистый лед без пузырьков воздуха и примесей. Ученые наблюдали таяние погруженных цилиндров, поддерживая постоянную температуру воды по периметру резервуара.
Форма тающего льда зависит от температуры воды. При четырех градусах и ниже цилиндры превращаются в конусы, вершиной вниз. Такая форма гладкая. При температуре выше семи градусов конус обращен вершиной вверх. От пяти до семи градусов поверхность льда становится волнистой. Такие узоры встречаются на айсбергах и других ледяных поверхностях.
Исследователи предполагают, что разные формы могут формироваться из-за различий температуры и плотности потоков воды, окружающих тающий лед. Компьютерные модели подтверждают эту гипотезу. Таяние вызывает градиенты температуры воды рядом с льдом, в результате чего жидкость в разных местах имеет разную плотность. Под воздействием силы тяжести разница в плотности создает потоки вдоль поверхности льда: более плотная жидкость опускается, а менее плотная поднимается. Это приводит к разной скорости плавления в разных местах и, таким образом, изменению формы.
Плотность воды не изменяется линейно с температурой и имеет максимум при приблизительно четырех градусах Цельсия. Вследствие этого потоки направлены по-разному при температурах выше или ниже этой точки. Вершины, обращенные вниз, образуются при низких температурах, когда наблюдаются восходящие потоки, а вверх смотрящие — при более высоких температурах, когда происходят нисходящие. Волны возникают потому, что близко к поверхности взаимодействующие восходящие и нисходящие потоки дестабилизируются в вихри, вырезающие бороздки на льду.
Исследование выявило связь между формой тающего льда и температурой воздуха, а также объяснило появление природных форм льда: на его поверхности образуются острые шипы или шпили, а также волнистые узоры.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.