Lód przybiera nietypowe kształty, a fizycy wiedzą, co stoi za tym zjawiskiem

W Physical Review Letters ukazał się artykuł poświęcony badaniom naukowców, którzy próbowali wyjaśnić, dlaczego topniejący lód przybiera zaobserwowane kształty.

Na potrzeby eksperymentu jego autorzy stworzyli pozbawiony zanieczyszczeń i bąbelków powietrza lód. Kolejny etap badań wiązał się natomiast z obserwacją topnienia tego lodu, który był opuszczany do zbiornika zawierającego słodką wodę. Na zdjęciach poklatkowych zostały uwiecznione wszelkie zmiany zachodzące w strukturze lodu, natomiast modele matematyczne pomogły naukowcom zrozumieć, jakie procesy stały za tymi zmianami.

Czytaj też: Innowacyjna metoda wytwarzania „zielonego” amoniaku. Ekolodzy będą zadowoleni

Kształty i wzorzystość lodu są skutecznymi wskaźnikami warunków środowiskowych, w których się topił, umożliwiając nam „odczytanie” kształtu, dzięki czemu można oszacować czynniki takie jak temperatura otaczającej wody. […] Skupiliśmy się na niskich temperaturach – od 0 do 10 stopni Celsjusza – w których lód w naturalnych warunkach zazwyczaj się topi, i znaleźliśmy zaskakującą różnorodność kształtów, które się uformowały.

wyjaśnia Leif Ristroph z New York University

Okazało się, iż w temperaturach niższych niż pięć stopni Celsjusza fragmenty lodu przybierały kształt szpikulca skierowanego w dół. Z kolei w temperaturach powyżej 7 stopni Celsjusza kształt pozostawał taki sam, lecz był on skierowany ku górze. Kiedy temperatury były utrzymywane w wartościach pomiędzy -5 a +7 stopni Celsjusza, lód stawał się pofałdowany podczas topnienia. Podobną zależność można zaobserwować w naturze.

Topniejący lód przybiera różne kształty między innymi na skutek kierunku przepływu wody

Kiedy lód topnieje, temperatura otaczającej go wody staje się warstwowa, co z kolei wpływa na zmiany gęstości cieczy. Jako że cięższa ciecz opada, natomiast lżejsza się unosi, to topnienie przebiega w różnym tempie w różnych obrębach lodu. To właśnie z tego względu pojawiają się opisywane zmiany kształtu. Szpikulec skierowany w dół jest związany z przepływem wody ku górze, natomiast skierowany w górę jest następstwem opadania wody. Faliste wzory powstają natomiast w następstwie wzajemnego oddziaływania górnych i dolnych przepływów.

Czytaj też: Naukowcy doprowadzili do lewitacji lodowego krążka. Zjawisko Leidenfrosta wszechstronniejsze niż sądzono

Być może dalsze postępy w tego typu badaniach sprawią, że w przyszłości możliwe będzie przewidywanie warunków towarzyszących topnieniu lodu wyłącznie w oparciu o jego kształt. Jak dodaje Ristroph, odkrycia jego zespołu pomagają wyjaśnić niektóre charakterystyczne kształty lodu obserwowane w naturze. Będzie to szczególnie przydatne w kontekście ocieplającego się klimatu, a co za tym idzie – zwiększonego tempa topnienia lodu.