美國物理學家進行研究，揭開當冰在不同溫度融化時，會呈現怎樣的形狀
新研究發現，根據周圍水的溫度，融化中的冰能夠呈現不同的形狀。這給予我們新的視角，來觀察潛藏在這看似複雜的轉變之下的複雜物理。
研究設定
研究團隊替他們的實驗製作了超純且「透明」的冰，沒有泡泡與雜質。接著，當冰被放進位於特別打造的「冷室」中的淡水槽中時，他們觀察了冰融化的狀態。
研究團隊使用縮時攝影（time-lapse photography）來記錄冰形狀的詳細變化，並利用數學模型來確認，當冰與周圍的水反應時，造成冰型態改變的潛在過程。
紐約大學（New York University，NYU）的實驗物理學家萊夫·里斯特羅夫副教授（Leif Ristroph）說：「冰的形狀與圖案，是其融化時所處的環境狀態的敏感指標，而這讓我們能夠藉由觀察它們的形狀來推斷出一些因素，像是周圍環境的水溫。我們專注於低溫狀態，也就是攝氏 0 度到 10 度。在這溫度下，自然水體中的冰通常會融化，而我們發現冰形成了多種令人驚訝的形狀。」
形狀與形成機制
在很冷的溫度下（攝氏 5 度以下），冰塊呈現了向下指的釘狀。在高一點的溫度下（攝氏 7 度以上），冰塊仍然呈現釘狀，只是這一次釘子尖端是往上指。對於介於中間的溫度，冰塊會隨著它融化而變成波浪與波紋狀。這符合所謂的扇形圖案（scallop pattern），有時在自然界中的融冰中也會發現。這些差異是由於水流的改變而造成，而水流是由溫度所控制，而溫度又是隨著冷冰滲入水中而變化的。
研究人員解釋，當冰融化時，在其周邊的水溫開始分層，也就是說產生了不同的液體密度。當由於重力的關係，使較重的液體往下沉，較輕的液體往上升時，在冰塊上的不同區產生了不同的融化速率，造成冰形狀上的變化。
向下的冰釘狀對應了向上的水流，而向上的釘狀對應了向下的水流。至於波浪的圖案，則是當向上與向下的水流互相作用而造成。
來自 NYU 的應用數學家史考特·威帝博士（Scott Weady）說：「物理上奇怪的地方在於，液態水的密度與溫度間具有非常不尋常的依存關係，尤其是在攝氏 4 度時有最大的密度。相較於其他液體，這個『不尋常的密度』讓水變得很獨特。」
技術上而言，科學家們現在在此觀察的與克耳文-亥姆霍茲不穩定性（Kelvin-Helmholtz instability）類似，這是因為流體以不同的速度相互移動而造成的不穩定性。這個現象也在大自然界的許多其他狀況中被觀察到（比方說，地球上或許多其他行星上的雲。）
研究貢獻
這些研究發現代表著，科學家們會有更多的知識，來了解融化會怎麼創造流動模式，以及那些流動模式會如何接著影響融化進行。舉例來說，試著想像海洋中的一座冰山。很有可能在未來，我們能夠僅藉由觀察其形狀，就能夠知道冰是如何融化的。隨著地球貯存的冰以穩定的速率在消失中，了解影響這個過程的影響因素變得更為重要。
里斯特羅夫副教授說：「我們的發現幫助解釋了在自然界中所看到的某些特定冰的形狀，尤其是那些由尖釘或螺旋組成的、冰山的尖錐型態、或是由波浪形的坑洞圖案所組成的扇形圖案。這項研究與地球氣候變遷、以及地球上冰融化的速率越來越快有所關連。對人類很重要的是，要更加地了解融化在較小尺度下的詳細物理與數學，因為它們是較大尺度氣候模型的關鍵要素。」
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參考資料：
- Nield, D., (2022, February 2). Physicists Reveal the Weird Shapes Ice Takes as It Melts at Different Temperatures. ScienceAlert
- Weady, S. et al., (2022, January 28). Anomalous Convective Flows Carve Pinnacles and Scallops in Melting Ice. Physical Review Letters. doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.044502
- 圖片來源：https://www.sciencealert.com/the-shape-of-melting-ice-depends-on-what-temperature-it-is（圖：NYU Applied Mathematics Laboratory）
