一個(gè)由數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了冰的形成是如何被外部力量塑造的，例如水溫。其新發(fā)表的研究可能為衡量導(dǎo)致冰融化的因素提供另一種手段。"冰的形狀和圖案是它融化的環(huán)境條件的敏感指標(biāo)，使我們能夠'閱讀'形狀來推斷環(huán)境水溫等因素，"紐約大學(xué)庫蘭特?cái)?shù)學(xué)科學(xué)研究所的副教授Leif Ristroph解釋說，他是該論文的作者之一，該論文發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。
"我們的工作有助于理解融化如何誘發(fā)不尋常的流動(dòng)模式，而這些模式又反過來影響融化，這是影響我們星球上的冰的許多復(fù)雜因素之一，"作者Alexandra Zidovska補(bǔ)充道，她是紐約大學(xué)物理系的副教授。該論文的其他作者還有紐約大學(xué)研究生Scott Weady和Josh Tong，他們在研究時(shí)是紐約大學(xué)文理學(xué)院的本科生。
在紐約大學(xué)的應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室和軟物質(zhì)研究中心，研究人員通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究了冰在水中的融化，特別是水溫如何影響冰的最終形狀和圖案。為了做到這一點(diǎn)，他們創(chuàng)造了超純的冰，其中沒有氣泡和其他雜質(zhì)。該小組記錄了浸入水箱的冰在"冷室"中的融化情況，"冷室"類似于一個(gè)步入式冰箱，其溫度是可控的，而且是變化的。
"我們專注于自然水域中的冰通常在0到10攝氏度的低溫下融化，從中發(fā)現(xiàn)形成了令人驚訝的各種形狀，"主管應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Ristroph說。
具體來說，在非常寒冷的溫度下--大約5攝氏度以下--冰塊呈現(xiàn)出尖峰或"尖頂"的形狀，指向下方--類似于冰柱，但完全光滑(沒有波紋)。對于高于約7攝氏度的溫度，形成同樣的基本形狀，但顛倒過來--尖峰指向上方。對于介于兩者之間的溫度，冰的表面融化了波浪狀和波紋狀的圖案。類似的圖案，被稱為"扇貝"，在自然界的冰山和其他冰面上都能找到這種形態(tài)。
這些形狀差異是由于水流的變化造成的，而水流的變化是由其溫度決定的。
"融化導(dǎo)致冰塊附近的水溫出現(xiàn)梯度，這導(dǎo)致不同地方的液體具有不同的密度，"Weady解釋說。"這就產(chǎn)生了由于重力而產(chǎn)生的流動(dòng)--較重的液體下沉，較輕的液體上升--這種沿表面的流動(dòng)導(dǎo)致不同位置的不同熔化率，從而導(dǎo)致形狀的變化。"他補(bǔ)充說："物理學(xué)的奇怪之處在于，液態(tài)水的密度對溫度有一個(gè)非常不尋常的依賴性，特別是在大約4攝氏度時(shí)密度達(dá)到最大值，"這種'密度異常'使水與其他流體相比是獨(dú)一無二的。"
研究表明，這一特性是產(chǎn)生非常不同的流量的原因，這取決于水溫的精確值。低溫下的尖頂與向上的流動(dòng)有關(guān)，而向上的尖頂則有向下的流動(dòng)。扇形圖案的形成是因?yàn)榉浅？?span id="hbprrjd" class="keyword">近表面的上升流與更遠(yuǎn)處的下降流相互作用，破壞了穩(wěn)定，變成了在冰上刻出凹痕的旋渦。
"我們的發(fā)現(xiàn)有助于解釋自然界中看到的冰的一些特征形狀，特別是冰山的所謂尖頂形態(tài)，由尖銳的尖峰或尖頂組成，而所謂的扇貝形則由波浪形的坑洞組成，"Ristroph指出。
這項(xiàng)工作的更大背景與地球不斷變化的氣候和我們整個(gè)星球上冰雪融化的速度增加有關(guān)。更好地理解較小規(guī)模的融化的詳細(xì)物理學(xué)和數(shù)學(xué)是很重要的，因?yàn)檫@些是較大規(guī)模氣候模型的關(guān)鍵組成部分。
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