Científicos descubren cómo la forma del hielo derretido depende de la temperatura del agua

Un equipo de matemáticos y físicos ha descubierto cómo las formaciones de hielo son moldeadas por fuerzas externas como la temperatura del agua. Su investigación recientemente publicada puede ofrecer otro medio para evaluar los factores que causan el derretimiento del hielo.

«Las formas y patrones del hielo son indicadores sensibles de las condiciones ambientales bajo las cuales se derritió, permitiéndonos ‘leer’ el molde inferir factores como el entorno temperatura de agua«, explica Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York y uno de los autores del artículo, que aparece en la revista Cartas de revisión física.

«Nuestro trabajo ayuda a entender cómo el derretimiento induce fluir patrones que a su vez afectan el derretimiento, que es una de las muchas complejidades que afectan el hielo en nuestro planeta», agrega la autora principal Alexandra Zidovska, profesora asociada en el Departamento de Física de la Universidad de Nueva York.

Los otros autores del artículo fueron Scott Weady, estudiante de posgrado de la Universidad de Nueva York, y Josh Tong, estudiante de posgrado de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Nueva York en el momento del estudio.

En el Laboratorio de Matemáticas Aplicadas y el Centro de Investigación de Materia Blanda de la NYU, los investigadores han estudiado, a través de una serie de experimentos, el derretimiento del hielo en el agua y, en particular, cómo la temperatura del agua afecta las formas y patrones eventuales del hielo. Para ello, crearon hielo ultrapuro, libre de burbujas y otras impurezas. El equipo registró el derretimiento del hielo sumergido en tanques de agua en una “cámara fría”, que es similar a una cámara frigorífica cuya temperatura se controla y varía.

«Nos enfocamos en las bajas temperaturas, de 0 a 10 grados centígrados, a las que normalmente se derrite el hielo en las aguas naturales, y encontramos una sorprendente variedad de formas que se formaron», dice Ristroph, quien dirige el Laboratorio de Matemáticas Aplicadas.

Específicamente, en mucho bajas temperaturas—los que están por debajo de 5°C—las piezas toman la forma de un pico o «pináculo» apuntando hacia abajo—similar a un carámbano, pero perfectamente liso (sin ondas). Para temperaturas superiores a aproximadamente 7 grados C, se forma la misma forma básica, pero al revés: una espiga apuntando hacia arriba. Porque entre temperaturas, el hielo tiene patrones ondulados y ondulados derretidos en su superficie. Patrones similares, llamados «vieiras», se encuentran en los icebergs y otras superficies de hielo en la naturaleza.

Estas diferencias de forma se deben a cambios en el agua fluyeque están determinados por sus temperaturas.

«El derretimiento provoca gradientes en la temperatura del agua cerca del hielo, lo que hace que el líquido diferentes lugares tienen diferentes densidades «, explica Weady. «Esto genera flujos debido a la gravedad, con el líquido más pesado hundiéndose y el líquido más liviano ascendiendo, y estos flujos a lo largo de la superficie conducen a diferentes tasas de fusión en diferentes lugares y, por lo tanto, a cambios en la forma».

«La parte extraña de la física es que el agua líquida tiene una dependencia de la densidad muy inusual con la temperatura, en particular, una densidad máxima de alrededor de 4 grados C», agrega. «Esta ‘anomalía de densidad’ hace que el agua sea única en comparación con otros fluidos».

La investigación muestra que esta propiedad es responsable de producir caudales muy diferentes, dependiendo del valor preciso de la Agua temperatura. Los pináculos descendentes a bajas temperaturas están asociados con flujos ascendentes, mientras que los pináculos ascendentes tienen flujos descendentes. Los patrones irregulares se forman porque los flujos ascendentes muy cercanos a la superficie interactúan con flujos descendentes más lejanos, desestabilizando en vórtices que excavan agujeros en el hielo.

«Nuestros hallazgos ayudan a explicar algunas formas características de hielo que se ven en la naturaleza, específicamente la llamada morfología de pináculo de los icebergs, que consiste en puntas afiladas o espirales, y las llamadas vieiras, que consisten en patrones ondulados de pozos», señala Ristroph.

“El contexto más amplio de este trabajo se relaciona con el cambio climático de la Tierra y la tasa cada vez mayor de derretimiento del hielo en nuestro planeta”, continúa. «Es importante comprender mejor la física y las matemáticas detalladas del derretimiento a escalas más pequeñas, ya que estos son componentes clave de los modelos climáticos a mayor escala».