一個由數學家和物理學家組成的團隊發現了冰的形成是如何被外部力量塑造的，例如水溫。其新發表的研究可能為衡量導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境條件的敏感指標，使我們能夠’閱讀’形狀來推斷環境水溫等因素，”紐約大學庫蘭特數學科學研究所的副教授Leif Ristroph解釋說，他是該論文的作者之一，該論文發表在《物理評論快報》上。

“我們的工作有助於理解融化如何誘發不尋常的流動模式，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複雜因素之一，”作者Alexandra Zidovska補充道，她是紐約大學物理系的副教授。該論文的其他作者還有紐約大學研究生Scott Weady和Josh Tong，他們在研究時是紐約大學文理學院的本科生。

在紐約大學的應用數學實驗室和軟物質研究中心，研究人員通過一系列的實驗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，他們創造了超純的冰，其中沒有氣泡和其他雜質。該小組記錄了浸入水箱的冰在”冷室”中的融化情況，”冷室”類似於一個步入式冰箱，其溫度是可控的，而且是變化的。

“我們專注於自然水域中的冰通常在0到10攝氏度的低溫下融化，從中發現形成了令人驚訝的各種形狀，”主管應用數學實驗室的Ristroph說。

具體來說，在非常寒冷的溫度下–大約5攝氏度以下–冰塊呈現出尖峰或”尖頂”的形狀，指向下方–類似於冰柱，但完全光滑（沒有波紋）。對於高於約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。對於介於兩者之間的溫度，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。

這些形狀差異是由於水流的變化造成的，而水流的變化是由其溫度決定的。

“融化導致冰塊附近的水溫出現梯度，這導致不同地方的液體具有不同的密度，”Weady解釋說。”這就產生了由於重力而產生的流動–較重的液體下沉，較輕的液體上升–這種沿表面的流動導致不同位置的不同熔化率，從而導致形狀的變化。”他補充說：”物理學的奇怪之處在於，液態水的密度對溫度有一個非常不尋常的依賴性，特別是在大約4攝氏度時密度達到最大值，”這種’密度異常’使水與其他流體相比是獨一無二的。”

研究表明，這一特性是產生非常不同的流量的原因，這取決於水溫的精確值。低溫下的尖頂與向上的流動有關，而向上的尖頂則有向下的流動。扇形圖案的形成是因為非常靠近表面的上升流與更遠處的下降流相互作用，破壞了穩定，變成了在冰上刻出凹痕的旋渦。

“我們的發現有助於解釋自然界中看到的冰的一些特徵形狀，特別是冰山的所謂尖頂形態，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。

這項工作的更大背景與地球不斷變化的氣候和我們整個星球上冰雪融化的速度增加有關。更好地理解較小規模的融化的詳細物理學和數學是很重要的，因為這些是較大規模氣候模型的關鍵組成部分。