美國物理學家進行研究,揭開當冰在不同溫度融化時,會呈現怎樣的形狀

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新研究發現,根據周圍水的溫度,融化中的冰能夠呈現不同的形狀。這給予我們新的視角,來觀察潛藏在這看似複雜的轉變之下的複雜物理。

研究設定

研究團隊替他們的實驗製作了超純且「透明」的冰,沒有泡泡與雜質。接著,當冰被放進位於特別打造的「冷室」中的淡水槽中時,他們觀察了冰融化的狀態。

研究團隊使用縮時攝影(time-lapse photography)來記錄冰形狀的詳細變化,並利用數學模型來確認,當冰與周圍的水反應時,造成冰型態改變的潛在過程。

紐約大學(New York University,NYU)的實驗物理學家萊夫·里斯特羅夫副教授(Leif Ristroph)說:「冰的形狀與圖案,是其融化時所處的環境狀態的敏感指標,而這讓我們能夠藉由觀察它們的形狀來推斷出一些因素,像是周圍環境的水溫。我們專注於低溫狀態,也就是攝氏 0 度到 10 度。在這溫度下,自然水體中的冰通常會融化,而我們發現冰形成了多種令人驚訝的形狀。」

形狀與形成機制

在很冷的溫度下(攝氏 5 度以下),冰塊呈現了向下指的釘狀。在高一點的溫度下(攝氏 7 度以上),冰塊仍然呈現釘狀,只是這一次釘子尖端是往上指。對於介於中間的溫度,冰塊會隨著它融化而變成波浪與波紋狀。這符合所謂的扇形圖案(scallop pattern),有時在自然界中的融冰中也會發現。這些差異是由於水流的改變而造成,而水流是由溫度所控制,而溫度又是隨著冷冰滲入水中而變化的。

研究人員解釋,當冰融化時,在其周邊的水溫開始分層,也就是說產生了不同的液體密度。當由於重力的關係,使較重的液體往下沉,較輕的液體往上升時,在冰塊上的不同區產生了不同的融化速率,造成冰形狀上的變化。

向下的冰釘狀對應了向上的水流,而向上的釘狀對應了向下的水流。至於波浪的圖案,則是當向上與向下的水流互相作用而造成。

來自 NYU 的應用數學家史考特·威帝博士(Scott Weady)說:「物理上奇怪的地方在於,液態水的密度與溫度間具有非常不尋常的依存關係,尤其是在攝氏 4 度時有最大的密度。相較於其他液體,這個『不尋常的密度』讓水變得很獨特。」

技術上而言,科學家們現在在此觀察的與克耳文-亥姆霍茲不穩定性(Kelvin-Helmholtz instability)類似,這是因為流體以不同的速度相互移動而造成的不穩定性。這個現象也在大自然界的許多其他狀況中被觀察到(比方說,地球上或許多其他行星上的雲。)

研究貢獻

這些研究發現代表著,科學家們會有更多的知識,來了解融化會怎麼創造流動模式,以及那些流動模式會如何接著影響融化進行。舉例來說,試著想像海洋中的一座冰山。很有可能在未來,我們能夠僅藉由觀察其形狀,就能夠知道冰是如何融化的。隨著地球貯存的冰以穩定的速率在消失中,了解影響這個過程的影響因素變得更為重要。

里斯特羅夫副教授說:「我們的發現幫助解釋了在自然界中所看到的某些特定冰的形狀,尤其是那些由尖釘或螺旋組成的、冰山的尖錐型態、或是由波浪形的坑洞圖案所組成的扇形圖案。這項研究與地球氣候變遷、以及地球上冰融化的速率越來越快有所關連。對人類很重要的是,要更加地了解融化在較小尺度下的詳細物理與數學,因為它們是較大尺度氣候模型的關鍵要素。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2022, February 2). Physicists Reveal the Weird Shapes Ice Takes as It Melts at Different Temperatures. ScienceAlert

  2. Weady, S. et al., (2022, January 28). Anomalous Convective Flows Carve Pinnacles and Scallops in Melting Ice. Physical Review Letters. doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.044502

  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/the-shape-of-melting-ice-depends-on-what-temperature-it-is(圖:NYU Applied Mathematics Laboratory)