Аномальность воды повлияла на вариативность подводных сосулек

Аномальность воды повлияла на вариативность подводных сосулек

Американские физики подробно изучили подводное таяние ледяных цилиндров при различных температурах воды. Оказалось, что аномальные свойства воды приводят к тому, что форма и направление подводных сосулек сложным образом зависит от температуры. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Форма рельефа или ландшафта несет в себе информацию о том, как и в каких условиях они формировались. Ее извлечение может оказаться довольно сложной задачей в силу комплексности геологических процессов. Такого рода исследования приобрели актуальность в связи с ускоряющимся таянием ледников и образованием айсбергов, формы которых требуют правильной интерпретации.

Проблема, однако, в том, что таяние, в особенности подводное, представляет собой особый тип краевой задачи, в которой положение границы раздела фаз меняется со временем (задача Стефана). Граница лед-вода отступает по нормали к поверхности, но с различной скоростью, определяемой температурными градиентами. Энергия, выделяемая при фазовом переходе, в свою очередь влияет на температурное поле. Ситуацию усложняет аномальная связь температуры воды с плотностью, которая имеет максимум при четырех градусах по Цельсию, поскольку это вызывает гравитационно-конвективные потоки. Конвективные потоки были хорошо изучены в задачах теплообмена с фиксированными границами, а вот для подвижных границ полного понимания происходящих процессов пока нет.

Чтобы закрыть этот пробел, Лейф Ристроф (Leif Ristroph) с коллегами из Нью-Йоркского университета изучали то, как происходит таяние ледяных столбцов в воде с различной температурой. Они выяснили, что температура влияет на форму и направленность острия сосулек, а при некоторых переходных условиях граница льда становится волнообразной. Авторы построили количественную модель этих процессов, которая показала хорошее согласие с экспериментом.

Для этого физики изготавливали столбики из чистого льда методом направленного замораживания и помещали их в пресную воду. Они поддерживали температуру воды постоянной в дальней от льда зоне с точностью 0,1 градуса. Управляя ей в диапазоне от 2 до 10 градусов, авторы фиксировали форму получающихся сосулек с помощью двух цифровых камер.

При достаточно низких (менее пяти градусов) или высоких (более семи градусов) температурах сохранялся плавный градиент плотности воды в промежутке между поверхностью льда и дальней зоной. В первом случае приграничная холодная вода имеет меньшую плотность и потому поднимается вверх, что приводит к большему притоку теплой воды в нижнюю часть сосульки. Из-за этого сосулька тает снизу быстрее, чем сверху. Во втором случае, наоборот, приграничная вода успевает прогреться настолько, что ее плотность увеличивается до значений, близких к максимальному, она тонет, а сосулька начинает формироваться острием вверх. В промежуточных случаях же восходящие и нисходящие потоки взаимодействуют вблизи поверхности льда с образованием вихрей. Из-за этого стенка сосульки приобретает сложную волнообразную структуру.

Чтобы количественно описать такое сложное поведение льда, физики численно решали уравнение Навье — Стокса в приближении Буссинеска с квадратичной зависимостью плотности воды от температуры совместно с уравнениями на температурное и фазовое поля. Результаты моделирования показали хорошее согласие с опытом. Для холодного и теплого случаев физики следили за зависимостью кривизны вершины от времени, которая с хорошим приближением описывалась функцией в степени −4/5. Для промежуточного случая они убедились в том, что шаг, с которым идут гребни поверхности, уменьшается с высотой по закону h−3/4, что связано с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца.
Авторы отмечают, что проделанная ими работа проливает свет на происхождение характерных зубчатых паттернов, которые ранее наблюдали у айсбергов, шельфовых ледников и буровых скважин и объясняли влиянием внешних потоков. Они также предполагают, что обнаруженные эффекты будут сохраняться и в соленой воде, однако это требует дополнительных исследований.

Ранее физики уже показывали, что форма айсбергов влияет на скорость их таяния. Оказалось, что высокие и узкие айсберги с большой подводной частью тают гораздо быстрее, чем широкие.

Подписывайтесь на наш Telegram, чтобы быть в курсе важных новостей медицины

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>