新的研究表明，冰在融化时可根据周围水的温度呈现出不同的形状，这让我们对复杂相变背后的物理学机制有了新的认识。

研究团队为他们的实验创造了超纯的“透明”冰，没有气泡和杂质，然后观察冰在专门设计的“冷藏室”淡水罐中的融化过程。

用延时摄影记录冰形状的详细变化，并使用数学模型来确认在冰与水相互作用时形状变化的潜在过程。

纽约大学 (NYU) 的实验物理学家 Leif Ristroph 说：“冰的形状和图案是其融化环境条件的敏感指标，让我们能够‘阅读’形状以推断环境水温等因素。我们专注于低温——0到10摄氏度——自然水域中的冰通常融化在这一温度区间，我们发现了令人惊讶的各种形状。”

在低温(低于5摄氏度)下，冰块呈现出向下尖刺的形状。在更高的温度下(高于7摄氏度)，尖刺的形状是相同的，只是这次它指向上方。

对于介于两者之间的温度，冰在融化时呈现波浪形和波纹。这与有时在自然环境里看到的所谓扇贝图案相匹配。差异来自水流，这是由温度控制的，随着冷冰渗入水中，温度又在不断变化。

研究人员解释说，随着冰融化，它周围的水温会分层，这意味着液体密度会发生变化。由于重力作用，较重的液体下沉而较轻的液体上升，在冰的不同位置以不同的速度融化，导致形状发生变化。

向下的尖峰对应于向上的水流，而向上的尖峰对应于向下的水流。当向上流动和向下流动相互作用时，就会出现波浪形图案。

(NYU Applied Mathematics Laboratory)

纽约大学的应用数学家Scott Weady 说：“物理学的一个奇怪之处在于，液态水的密度对温度的依赖性非常不寻常，尤其是在大约4摄氏度达到的最大密度。与其他流体相比，这种‘密度异常’使水变得独一无二。”

从技术上讲，我们在这里看到的类似于开尔文-亥姆霍兹不稳定性，这是由以不同速度相互移动的液体引起的。在自然界的许多其他情况下(例如地球上的云和其他几个行星)都可以观察到。

未来，我们有可能通过观察冰的形状来了解冰的融化过程。随着地球的冰储量以稳定的速度减少，探索这一过程的机制变得越来越重要。

“这项工作的更大背景与地球气候的变化和我们星球上冰融化速度的增加有关。重要的是更好地了解小尺度融化过程的物理和数学，因为这些是更大系统的关键组成部分。”

该研究已发表在《物理评论快报》上。

https://www.sciencealert.com/the-shape-of-melting-ice-depends-on-what-temperature-it-is

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