物理学家揭示了冰在不同温度下融化时呈现的奇怪形状

新的研究表明，融化的冰可以根据周围水的温度呈现出不同的形状，这让我们对这种看似复杂的转变背后的复杂物理现象有了新的认识。

该研究背后的团队创造了超纯“透明”的冰在他们的实验中，没有气泡和杂质，然后在专门设计的“冷室”中将冰放入淡水箱中时观察冰的融化情况。

延时摄影用于记录冰形状的详细变化，并使用数学模型来确认当冰与周围的水相互作用时改变冰形状的潜在过程。

“冰的形状和图案是冰融化时环境条件的敏感指标，使我们能够‘读取’形状来推断环境水温等因素，”实验物理学家莱夫·里斯特罗夫说来自纽约大学（NYU）。

“我们重点关注0到10摄氏度[32到50华氏度]的低温，天然水中的冰通常会在这个温度融化，我们发现了令人惊讶的各种形状。”

在非常冷的温度下（低于 5 摄氏度或 41 华氏度），冰块呈向下尖的形状。 在较高温度下（高于 7 摄氏度或 44.6 华氏度），尖峰形状相同，只是这次尖峰指向上方。

对于介于两者之间的温度，冰在融化时会变得波浪状和波纹。 这与所谓的扇贝图案相匹配有时在融化的冰上发现在自然界。 差异是由于水流的变化造成的，水流是由温度控制的，而随着冷冰渗入水中，温度又不断变化。

研究人员解释说，随着冰融化，周围水的温度会分层，这意味着液体密度会发生变化。 由于重力作用，较重的液体下沉，较轻的液体上升，冰上不同位置的融化速度不同，导致形状发生变化。

（纽约大学应用数学实验室）

上图：不同温度的环境水下融化的冰的不同形状。

向下的尖峰对应于向上的水流，而向上的尖峰对应于向下的水流。 当向上流动和向下流动相互作用时，就会出现波浪图案。

“物理学中奇怪的一点是，液态水的密度对温度的依赖性非常不寻常，特别是在大约 4 摄氏度时密度最大，”应用数学家斯科特·韦迪说来自纽约大学。 “这种‘密度异常’使得水与其他液体相比具有独特性。”

从技术上讲，我们在这里看到的类似于开尔文-亥姆霍兹不稳定性由液体以不同速度相互运动引起的。 在自然界的许多其他场景中都可以观察到这种现象（例如，地球和其他几个行星上的云）。

所有这些都意味着科学家们对融化如何产生流动模式以及这些流动模式如何继续影响进一步的融化有了更多的了解？ 例如，想象一下海洋中央的一座冰山。

将来，我们可能仅通过观察冰的形状就能了解冰是如何融化的。 凭借地球的冰储量以稳定的速度消失，了解影响这一过程的因素变得越来越重要。

“我们的发现有助于解释自然界中冰的一些特征形状，特别是所谓的冰山尖峰形态，它由锋利的尖刺或尖顶组成，以及所谓的扇贝形，由波浪形的凹坑组成，”里斯特罗夫说。

“这项工作的更大背景涉及地球气候的变化和整个星球冰融化速度的加快。更好地理解小尺度融化的详细物理和数学非常重要，因为这些是更大尺度冰的关键组成部分。规模气候模型。”

该研究发表于物理评论快报。