De märkliga egenskaperna hos krusningar på istappar

En märklig egenskap hos istappar är att deras ytor ibland kan bli krusade, som på bilden ovan. Våglängden på dessa krusningar är alltid cirka 1 cm.

För ungefär tio år sedan utvecklade Kazuto Ueno, nu vid Université du Québec á Chicoutimi i Kanada, en teoretisk modell för att förklara detta fenomen.

Hans tänkande går så här. Istappar är täckta av ett tunt lager vatten underkylt till mindre än 0 grader C och detta flyter under tyngdkraften. När detta lager fryser frigör det värme som lättare kan stråla bort från den konvexa delen av en krusning än den konkava delen. Så det bildas företrädesvis is över de konvexa områdena, vilket gör dem större.

Ytan på istappar börjar jämnt men varje liten störning i vattenflödet över dem skapar krusningar som snabbt fryser i denna herrgård. Våglängden för dessa krusningar bestäms av värmetransportegenskaperna hos vatten som strömmar över is, som är ungefär konstanta och förklarar så den konstanta våglängden. Voila!

Uenos modell gör dock tre andra förutsägelser om dessa krusningar som aldrig har observerats förrän nu. För det första att våglängden på rippel bör öka när vinkeln på det lutande planet minskar; för det andra att våglängden bör öka endast gradvis med en ökning av vattentillförseln; och slutligen att krusningarna ska röra sig uppåt med ungefär halva hastigheten av medeltillväxthastigheten.

Idag avslöjar han och några kompisar resultaten av deras ansträngningar att testa dessa förutsägelser både i numeriska simuleringar och i laboratorieexperiment.

Summan av kardemumman är att de bekräftar förutsägelserna. Våglängden kan förändras på det sätt som han förutspådde och krusningar rör sig långsamt uppåt, trots att vattnet rinner ner.

Det finns en intressant följd av allt detta. I detta arbete strömmar vattnet alltid under tyngdkraften. Men vad händer när aerodynamiska krafter också spelar in eller, med andra ord, hur påverkar vinden krusningarna?

Det är viktigt eftersom det kan kasta ljus över processen att frysa på flygplansvingar och turbiner, ett betydande och potentiellt livshotande problem.

Ueno och co säger att de undersöker just den här frågan och kommer att meddela oss när de får reda på det.

Ref: arxiv.org/abs/1102.4890 : Numerisk och experimentell verifiering av en teoretisk modell av krusningsbildning i istillväxt under underkylt vattenfilmflöde

21 mars 2011 Rättelse:

Kazuto Ueno skriver att följande mening i det här inlägget inte representerar hans uppfattning: När detta lager fryser frigör det värme som lättare kan stråla bort från den konvexa delen av en krusning än den konkava delen. Så det bildas företrädesvis is över de konvexa områdena, vilket gör dem större.

Istället ger han följande förklaring: varje konvex del av vatten-luft-gränssnittet förskjuts något uppåt mot is-vatten-gränssnittet, då är frigöringen av den latenta värmen stor på uppströmssidan av någon konvex del av isen -vattengränssnitt. Detta innebär att is växer snabbare på uppströmssidan än på nedströmssidan av någon konvex del av is-vattengränsytan. Som ett resultat växer inte bara amplituden av krusningarna, utan krusningarna rör sig också uppåt med tiden som experimentellt observerats.

Dölj