Физики выяснили, почему поверхность айсбергов не гладкая

В своем исследовании физики и математики из Нью-Йоркского университета погружали цилиндры изо льда длиной 15-20 сантиметров и диаметром в несколько сантиметров в воду при температуре от плюс двух до десяти градусов Цельсия. Для экспериментов создали сверхчистый лед без пузырьков воздуха и посторонних примесей. Погруженным цилиндрам льда ученые позволяли таять, поддерживая при этом постоянной температуру воды на периферии резервуара.

Оказалось, форма, которую принимает тающий лед, зависит от температуры воды, в которую он был погружен. В частности, при более низких температурах — при четырех градусах и ниже — цилиндры превращались в конусы, обращенные вершиной вниз, при этом совершенно гладкие. При температуре выше семи градусов форма была такой же, но вершина конуса смотрела вверх. Наконец, при температурах от пяти до семи градусов поверхность льда становилась волнистой. Подобные узоры встречаются на айсбергах и других ледяных поверхностях в природе.

Авторы исследования предположили, что разные формы могут возникать из-за различий в температуре и плотности потоков воды, окружающих тающий лед. Эту гипотезу подтвердили компьютерные симуляции. Таяние вызывает градиенты температуры воды вблизи льда, в итоге жидкость в разных местах имеет разную плотность. Под действием гравитации разница в плотности создает потоки вдоль поверхности льда: более тяжелая жидкость опускается, а более легкая поднимается, что приводит к разной скорости плавления в разных местах и, таким образом, изменению формы.

Поскольку плотность воды не зависит линейно от температуры, а имеет максимум при примерно четырех градусах Цельсия, при температуре выше или ниже этой точки потоки имеют разное направление. Обращенные вниз вершины при низких температурах связаны с восходящими потоками, а смотрящие вверх при более высоких температурах — с нисходящими. Волнистые узоры образуются из-за того, что восходящие потоки очень близко к поверхности взаимодействуют с нисходящими потоками дальше, дестабилизируясь в вихри, вырезающие борозды во льду.

Результаты исследования показывают, что по форме тающего льда можно судить о температуре окружающей среды, а также помогают объяснить некоторые характерные формы льда, встречающиеся в природе. В частности — возникновение на их поверхности острых шипов или шпилей, а также волнистых узоров.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.