Вчені з Нью-Йоркського університету показали, що на форму танучого льоду впливає температура води, що оточує його. Результати цього дослідження допоможуть врахувати додаткові фактори, що викликають танення льодів.
У своєму дослідженні фізики і математики з Нью-Йоркського університету занурювали циліндри з льоду довжиною 15-20 сантиметрів і діаметром в кілька сантиметрів у воду при температурі від плюс двох до десяти градусів Цельсія. Для експериментів створили надчистий лід без бульбашок повітря і сторонніх домішок. Зануреним циліндрам льоду вчені дозволяли танути, підтримуючи при цьому постійну температуру води на периферії резервуара.
Виявилося, форма, яку приймає талий лід, залежить від температури води, в яку він був занурений. Зокрема, при більш низьких температурах – при чотирьох градусах і нижче – циліндри перетворювалися в конуси, звернені вершиною вниз, при цьому абсолютно гладкі. При температурі вище семи градусів форма була такою ж, але вершина конуса дивилася вгору. Нарешті, при температурах від п’яти до семи градусів поверхня льоду ставала хвилястою. Подібні візерунки зустрічаються на айсбергах і інших крижаних поверхнях в природі.
Танення льоду при температурі води, що дорівнює шести градусам за Цельсієм. / © NYU’s Applied Mathematics Laboratory
Автори дослідження припустили, що різні форми можуть виникати через відмінності в температурі і щільності потоків води, що оточують танучий лід. Цю гіпотезу підтвердили комп’ютерні симуляції. Танення викликає градієнти температури води поблизу льоду, в результаті рідина в різних місцях має різну щільність. Під дією гравітації різниця в щільності створює потоки вздовж поверхні льоду: більш важка рідина опускається, а легша піднімається, що призводить до різної швидкості плавлення в різних місцях і, таким чином, зміни форми.
Оскільки щільність води не залежить лінійно від температури, а має максимум щільності при приблизно чотирьох градусах Цельсія, при температурі вище або нижче цієї точки потоки мають різний напрямок. Звернені вниз вершини при низьких температурах пов’язані з висхідними потоками, а ті, що дивляться вгору при більш високих температурах — з низхідними. Хвилясті візерунки утворюються через те, що висхідні потоки дуже близько до поверхні взаємодіють з низхідними потоками далі, дестабілізуючись у вихори, що вирізають борозни в льоду.
Результати дослідження показують, що за формою танучого льоду можна судити про температуру навколишнього середовища, а також допомагають пояснити деякі характерні форми льоду, що зустрічаються в природі. Зокрема – виникнення на їх поверхні гострих шипів або шпилів, а також хвилястих візерунків.
Стаття з результатами дослідження опублікована в журналі Physical Review Letters.