冰的形状之谜

水和冰是再平常不过的两种东西，它们身上却还有不少谜团没有揭开。

虽然冰融化成水是一种随处可见的现象，但对科学家来说，预测冰融化过程的细节实际上非常困难，尤其是当冰周围还存在水流的时候，比如冰山在海流中融化。

近日，一个由数学家和物理学家组成的团队发现了冰的形状是如何受到了周围水温等外部力量的影响。他们发现，冰的形状和结构是融化过程中环境条件的敏感指标。研究为衡量导致冰融化的因素提供了一种新的途径，论文已于近日发表在《物理评论快报》上。

融化的形状

在这项新研究中，科学家通过一系列的实验研究了冰在水中的融化，从而探索环境因素，特别是水温，如何影响了冰的最终形状和结构。

他们在实验室中创造出了超纯净的冰，其中不存在气泡和任何杂质。团队记录了浸入水箱的冰在冷室中的融化情况。冷室类似一个步入式的大冰箱，其中的温度是可控的，且可以变化。

在自然水域中，冰通常在较低的温度条件下融化，大约是0到10 ，这也是团队主要希望探索的温度区间。他们惊讶地发现，冰在不同温度条件的融化产生了各种不同的形状。

具体来说，在非常寒冷的温度下，也就是约5 之下，冰会呈现出朝下的尖端形状，类似于冰柱，但冰的表面是光滑的，没有起伏。在高于约7 的温度条件下，冰会形成类似的基本形状，但上下颠倒，尖端向上。对于介于两者之间的温度，冰的表面融化出了波浪和波纹状的图案，这种图案被称为流痕，在自然的冰山和其他冰面上都能找到它们。

照片显示了在环境水温较低（4 ）、中等（5.6 ）和较高（8 ）时形成的不同形状的冰。| 图片来源：NYU’s Applied Mathematics Laboratory

与众不同的行为

科学家发现，这些形状差异是水流的变化造成的，而水流的变化则取决于温度。

我们都知道，水和其他液体一样，它们的密度都会随着温度下降而上升。但水还有一个独一无二之处，和其他液体都不一样的是，液态水的密度在大约4 时会达到最大值，随后它的密度反而会降低，直到冻结。因此，水的密度比冰更大。

冰河水的密度随温度变化示意图。| 图片来源：Klaus-Dieter Keller

这种奇怪的现象也会产生与众不同的水流行为，比如，当水温不断下降时，冷水首先会下沉，但随后，由于温度来到了4 之下，密度的降低反而会让水流重新上升。这个过程就可能会导致冷水在逆向对流中上涌。

研究表明，这一特性正是产生非常不同的流动模式的原因。融化导致冰周围的水温出现了梯度，这就让不同位置的液体有了不一样的密度，引起由重力产生的流动。密度更大的液体下沉，而密度更小的液体上升。这种沿表面的流动导致不同位置出现了不一样的融化速率，从而制造出了形状的变化。

在低温条件下，朝下的尖端与水流向上的流动有关，而朝上的尖端则意味着水向下流动。流痕的形成是由非常靠近表面的上升水流与更远处的下降水流的相互作用而形成的，这种流动破坏了稳定，但同时，水的黏度又会抑制这种不稳定性。最终的结果便是，产生一种循环流（小漩涡），在冰上雕刻出了凹痕。这种循环流的直径取决于局部的温度。

以小见大

这一发现有助于解释自然中看到的一些冰的特征形状，并有助于我们理解融化如何诱发了不寻常的流动模式，而这些模式反过来又会影响融化过程。它们是影响我们星球上冰雪的诸多复杂因素之一。

研究人员介绍，这项研究更大的背景与地球不断变化的气候和我们整个星球上冰雪融化的速度增加有关。更好地理解较小规模的融化的详细物理学和数学至关重要，因为它们是更大规模的气候模型的关键组成部分。

撰文：Måka

参考来源：

https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2022/january/scientists-uncover-how-the-shape-of-melting-ice-depends-on-water.html

https://arstechnica.com/science/2022/01/scalloped-iceberg-sculptures-occur-due-to-the-weirdness-of-water/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.044502

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