Повышение температуры мировых океанов угрожает ускорить таяние и раскалывание ледников, что потенциально может увеличить количество айсбергов и, соответственно, необходимость более глубокого понимания их движения и воздействия.
Группа учёных провела серию экспериментов и определила некоторые факторы, вызывающие опрокидывание айсбергов. Это исследование проливает свет на то, как изменение климата может повлиять на воды Земли.
«Наше исследование вносит фундаментальные знания в физику льда, что является жизненно важным фактором для здоровья нашей планеты и который необходимо понимать для улучшения моделирования климата и прогнозирования погоды», — объясняет Лейф Ристроф, доцент Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета и старший автор статьи, опубликованной в журнале Physical Review Fluids.
Результаты исследования
Результаты показывают, как таяние и опрокидывание айсбергов связаны между собой сложным образом. Эта информация имеет решающее значение, поскольку таяние льда можно считать «канарейкой в угольной шахте» — самым ранним предупреждением о том, что Земля нагревается или выходит из своего обычного баланса.
Исследователи, в том числе Бобаэ Джонсон, Зихан Чжан, Элисон Ким из Нью-Йоркского университета, а также Скотт Уиди из Института Флэтiron, провели серию экспериментов в лаборатории прикладной математики университета, где были воспроизведены условия плавания айсбергов.
Для этого они подготовили ледяные блоки в форме длинных цилиндров, устранив пузырьки, которые могли бы усложнить условия, и поместили их в бак с пресной водой комнатной температуры. Эта среда оказалась эффективной для измерения таяния льда в предыдущих исследованиях. Затем учёные использовали камеры для фиксации скорости и движения таяния и опрокидывания модельного айсберга.
«Мы обнаружили, что таяние постепенно изменяет форму льда, который затем резко вращается или опрокидывается, прежде чем принять новую ориентацию», — объясняет Ристроф. «Этот процесс повторяется снова и снова. Обычно мы наблюдаем от 10 до 15 случаев опрокидывания в течение 30 минут, пока лёд полностью не растает».
В ходе этого процесса форма льда значительно меняется, появляются края и углы, и в итоге он начинает напоминать пятиугольник — неожиданный результат.
«Это стало полной неожиданностью, поэтому мы работали над объяснением наблюдений, разработав математическую модель, которая могла бы учесть, как таяние изменяет форму льда и как развивающаяся новая форма может привести к опрокидыванию льда», — говорит Ристроф.
Математическая модель, разработанная на основе экспериментальных данных, учитывала влияние веса и силы плавучести на лёд, а также гидродинамические силы, возникающие из-за его движения в воде. Она осветила различные факторы, влияющие на изменение формы и опрокидывание.
«Мы узнали, что таяние в основном происходит вдоль смоченной поверхности льда под ватерлинией, в то время как „кончик“ вне воды практически не затрагивается, что в конечном итоге приводит к тому, что верхняя часть льда становится тяжёлой и теряет гравитационную устойчивость в воде, опрокидываясь», — рассказывает Ристроф.
«Удивительно, но он имеет тенденцию вращаться под особым углом, соответствующим одной пятой части полного оборота — и это объясняет, почему форма в итоге имеет пять сторон».
Предоставлено Нью-Йоркским университетом.