科学探索|新发现：水温是如何影响融化的冰的形状的？新发现：水温是如何影响融化

一个由数学家和物理学家组成的团队发现了冰的形成是如何被外部力量塑造的，例如水温。其新发表的研究可能为衡量导致冰融化的因素提供另一种手段。"冰的形状和图案是它融化的环境条件的敏感指标，使我们能够'阅读'形状来推断环境水温等因素，"纽约大学库兰特数学科学研究所的副教授Leif Ristroph解释说，他是该论文的作者之一，该论文发表在《物理评论快报》上。
"我们的工作有助于理解融化如何诱发不寻常的流动模式，而这些模式又反过来影响融化，这是影响我们星球上的冰的许多复杂因素之一，"作者Alexandra Zidovska补充道，她是纽约大学物理系的副教授。该论文的其他作者还有纽约大学研究生Scott Weady和Josh Tong，他们在研究时是纽约大学文理学院的本科生。

文章图片

在纽约大学的应用数学实验室和软物质研究中心，研究人员通过一系列的实验研究了冰在水中的融化，特别是水温如何影响冰的最终形状和图案。为了做到这一点，他们创造了超纯的冰，其中没有气泡和其他杂质。该小组记录了浸入水箱的冰在"冷室"中的融化情况，"冷室"类似于一个步入式冰箱，其温度是可控的，而且是变化的。
"我们专注于自然水域中的冰通常在0到10摄氏度的低温下融化，从中发现形成了令人惊讶的各种形状，"主管应用数学实验室的Ristroph说。
具体来说，在非常寒冷的温度下--大约5摄氏度以下--冰块呈现出尖峰或"尖顶"的形状，指向下方--类似于冰柱，但完全光滑（没有波纹）。对于高于约7摄氏度的温度，形成同样的基本形状，但颠倒过来--尖峰指向上方。对于介于两者之间的温度，冰的表面融化了波浪状和波纹状的图案。类似的图案，被称为"扇贝"，在自然界的冰山和其他冰面上都能找到这种形态。
【科学探索|新发现：水温是如何影响融化的冰的形状的？】这些形状差异是由于水流的变化造成的，而水流的变化是由其温度决定的。

"融化导致冰块附近的水温出现梯度，这导致不同地方的液体具有不同的密度，"Weady解释说。"这就产生了由于重力而产生的流动--较重的液体下沉，较轻的液体上升--这种沿表面的流动导致不同位置的不同熔化率，从而导致形状的变化。"他补充说："物理学的奇怪之处在于，液态水的密度对温度有一个非常不寻常的依赖性，特别是在大约4摄氏度时密度达到最大值，"这种'密度异常'使水与其他流体相比是独一无二的。"
研究表明，这一特性是产生非常不同的流量的原因，这取决于水温的精确值。低温下的尖顶与向上的流动有关，而向上的尖顶则有向下的流动。扇形图案的形成是因为非常靠近表面的上升流与更远处的下降流相互作用，破坏了稳定，变成了在冰上刻出凹痕的旋涡。
"我们的发现有助于解释自然界中看到的冰的一些特征形状，特别是冰山的所谓尖顶形态，由尖锐的尖峰或尖顶组成，而所谓的扇贝形则由波浪形的坑洞组成，"Ristroph指出。
这项工作的更大背景与地球不断变化的气候和我们整个星球上冰雪融化的速度增加有关。更好地理解较小规模的融化的详细物理学和数学是很重要的，因为这些是较大规模气候模型的关键组成部分。