Какая сила позволяет льду «танцевать» при таянии?

Тающий лед принимает различные формы в зависимости от температуры воды вокруг него — такие результаты показало новое исследование американских учёных. Это даёт нам новое представление о физических явлениях, которые делают возможным переход сосулек из одного состояния в другое.

Простой пример: возьмём небольшой цилиндр сверхчистого льда и аккуратно погрузим его в стакан с водой. Кажется, что помимо силы притяжения Земли и архимедовой силы на него ничего не воздействует, но не всё так просто — в дело вступает один неучтённый фактор, формирующий третью силу:

Форма и рисунок льда — это чувствительный индикатор условий окружающей среды, при которых он таял, позволяющий нам «читать» форму, чтобы сделать вывод о таких факторах, как температура окружающей воды, — физик-экспериментатор Лейф Ристроф, из Нью-Йоркского университета.

При низких температурах (менее 5 градусов Цельсия) наш цилиндр приобретёт форму направленного вниз шипа. При высоких температурах (выше 7 градусов Цельсия) форма шипа останется прежней, только на этот раз он будет направлен вверх. При промежуточных температурах лед станет волнистым и покроется рябью по мере таяния — таковы результаты экспериментов нью-йоркских учёных.

По мере таяния льда, объясняют исследователи, температура воды вокруг него становится слоистой — то есть, жидкость вокруг приобретает переменную плотность. А поскольку более тяжелая жидкость опускается, а более легкая поднимается под действием силы тяжести, таяние происходит с разной скоростью в разных местах льда, что и приводит к «танцу» льда.

Нисходящие шипы соответствуют восходящим потокам воды, а восходящие шипы — нисходящим потокам воды. Волнистые узоры возникают, когда восходящие и нисходящие потоки взаимодействуют друг с другом.

Поскольку запасы льда на Земле исчезают с постоянной скоростью (из-за глобального потепления), знание факторов, влияющих на этот процесс, становится все более важным:

Наши результаты помогают объяснить некоторые характерные формы льда, наблюдаемые в природе, в частности, [айсберги]. Более широкий контекст этой работы связан с изменением климата Земли и увеличением скорости таяния льда на нашей планете. Важно лучше понять детальную физику и математику таяния в малых масштабах, поскольку они являются ключевыми компонентами больших климатических моделей, — заключают исследователи.