Крижаний шип

Крижаний шип — утворення з льоду, часто у вигляді перевернутої бурульки, яке виступає вгору з поверхні замерзлої води. Хоча їх поява доволі рідкісна, крижані шипи, природно утворені на поверхнях малих водойм, описувалися ще з 1920-х років.[1] Механізм формування, відомий як модель Беллі-Дорсі, був запропонований на початку XX століття, але довго не перевірявся у лабораторних умовах.[2] У 2010-х роках багато фотографій крижаних шипів з'явилось в інтернеті, разом з інструкціями як отримати їх заморожуючи дистильовану воду в холодильнику чи морозилці.[3][4] Це дозволило науковцям перевірити гіпотезу в лабораторних умовах і, хоча експерименти підтверджують модель Беллі-Дорсі, вони підняли питання про те як утворюються природні крижані шипи.[1][2] Шипи іноді виростають в інших формах, і називались крижаними свічками, вежами, вазами. Одна дуже незвичайна форма це перевернута піраміда.[5]

Класична форма шипу
Форма свічки
Перевернута піраміда
Початок трапецевидного формування у відрі замерзлої дощової води

Хоча природні крижані шипи здебільшого розміром у декілька сантиметрів, канадець Джін Х'юсер, під час подорожі через замерзле озеро Ірі в 1963 році, описував малі діри у кризі через які вода періодично вистрілювала під тиском і замерзала утворюючи півтораметрові струмені льоду, які виглядали як «телефоні стовпи по всьому озеру».[6]

Історія питання

Крижані шипи згадувались як рідкісний феномен з 1920-х.[1] Теорія механізму формування була запропонована незалежно науковцями Беллі та Дорсі на початку XX століття, і до сьогодні лишається найбільш прийнятим поясненням цього явища.[2] Шипи формуються частіше у посудинах, де вода замерзає швидко, аніж у великих об'ємах води як озера чи ставки.[7] Багато веб-сторінок показують і обговорюють формування незвичайних утворень з льоду, також описуючи багато випадків формування шипів у холодильниках.[3][4] Можливість вирощування крижаних шипів у контрольованих середовищах спонукало невелику кількість досліджень причин їхнього формування на фізичному факультеті Каліфорнійського технологічного інституту під керівництвом Кеннеса Ліббрехта.[1][2]

Механізм формування

Природно сформовані крижані шипи, часто у формах свічок чи багатогранних веж (зазвичай трикутних), іноді з'являються у контейнерах замерзлої дощової води чи води з-під крану.[8] Вода розширюється на 9 % при замерзанні, і найпростіша форма кристалу льоду яка відбиває свою внутрішню структуру це шестикутна призма. Верхня і нижня поверхні кристалу — шестикутні площини названі основними площинами. Напрям перпендикулярний до основних площин називається c-віссю.[9]

Процес починається коли вода на поверхні нуклеується навколо нерівностей біля стінок посудини і починає замерзати всередину. Якщо c-вісь першого сформованого кристала не є вертикальною, то основна площина перетинає поверхню вздовж певної лінії перпендикулярної до c-осі, і голки криги поширюються по поверхні води вздовж цієї лінії. В той самий час завіса льоду росте вниз у переохолоджену воду вздовж основної площини. Плівка криги росте закриваючи більшість поверхні, кристали з'єднуються і вода продовжує замерзати до центру поки тільки мала дірка залишається не замерзлою.[9] Кристалітні завіси переважно з'єднуються під 60 градусами, і тому дірка здебільшого має форму трикутника,[3] хоча інші геометричні форми можливі. Замерзання льоду вниз усередину виштовхує залишки води через дірку і формується випуклий меніск, який виступає трохи вище ніж поверхня криги. Коли краї меніску замерзають вони утворюють невеличку греблю, яка змушує воду підніматись трохи вище, яка замерзає формуючи нову греблю на верху першої. Якщо швидкість виштовхування води рівний швидкості замерзання на краю дірки, тоді цей процес неперервно повторюється, і усі шари формують трубку льоду. Ріст трубки продовжується поки верх не закриється, або поки вся вода не замерзне.[9] Формування крижаних шипів пов'язане з формою посудини з водою, концентрацією домішок, температури і кругообігу повітря над водою.[1] Шипи які ростуть з кристаліту сформованого під поверхнею води можуть рости з криги під крутим кутом, а не перпендикулярно їй.[7]

Крижаний шип з посудини для кубиків льоду

Малі крижані шипи можуть формуватись штучно у лотку для кубиків льоду з дистильованої води в домашніх холодильниках. Формування такого шипу таке ж як і його формування у природі — зменшення об'єму всередині куба збільшує тиск води проштовхуючи її крізь дірку на поверхні. Ріст такого шипу припиняється коли верхівка замерзає повністю, що стається набагато раніше ніж замерзання всієї води у кубі.[2] Цей метод дає маленькі шипи, здебільшого круглі або трикутні у поперечному перерізі, з гострим кінцем. Експерименти цим методом відкрили що шипи мають менше шансів формуватись якщо використовувати не дистильовану воду.[10] Це ставить під питання як формуються крижані шипи у воді з під крану чи дощовій воді, і було запропоновано що у випадку малих шипів домішки концентруються в незамерзлій частині на верху трубки знижуючи швидкість замерзання. Проте окрім випадків коли виростають дуже великі шипи, має існувати інший механізм який би усував домішки які накопичуються на вершині трубки яка росте. Або домішки заштовхуються у пакети які замерзають повільніше, або можливо конвекційний потік, який був би незначним у малих, штучно вирощених шипах, замінює воду на вершині трубки свіжою водою з під льоду.[1]

Галерея
  • Шип вирощений у лотку для крижаних кубиків
  • Перевернута піраміда у пташиній ванночці
  • Шип сформований після сильного нічного морозу
  • Крижана свічка
  • Шип з дощової води
  • Лоток з двома крижаними шипами
  • Багато шипів на водяних баках

Див. також

Примітки
  1. Libbrecht, K G; Lui, K (2003). An Investigation of Laboratory-Grown Ice Spikes.(англ.)
  2. Lederer, Samuel. The Effect of Chemical Additives on Ice-Spike Formation. Caltech. Процитовано 13 січня 2013.(англ.)
  3. Morris, S. Got Spikes on Your Ice Cubes?. Non linear Physics Group. University of Toronto. Процитовано 13 січня 2013.(англ.)
  4. Carter, James. Ice Formations with Daily (Diurnal) Freeze/Thaw Cycles. Geography-Geology Department. Illinois State University. Процитовано 14 січня 2013.(англ.)
  5. images of an amazing ice spike in the form of an inverted pyramid. Got Spikes on Your Ice Cubes?. Caltech. Процитовано 17 січня 2013.(англ.)
  6. Kirk, Harold. Due North. Harbor Creek Historical Society Newsletter. University of Toronto. Процитовано 17 січня 2013.(англ.)
  7. Morris, Stephen (30 квітня 2007). Occasionally the ice cubes in my freezer's ice trays will develop a stalagmitelike shape without any obvious, unusual interference. Can you please explain what causes this?. Scientific American (Nature America, Inc).(англ.)
  8. Burt, Stephen (March 2008). Ice candle. Weather 63 (3). Bibcode:2008Wthr...63...84B. doi:10.1002/wea.212. Процитовано 12 січня 2013.(англ.)
  9. Schlatter, Tom; Knight, Dr. Charles (March–April 2009). Weather queries. Weatherwise: 58, 59. (англ.)
  10. Libbrecht, Kenneth G. Ice spikes ... Strange things you can find in your freezer .... Snow Crystals. Caltech. Процитовано 29 березня 2013.(англ.)
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.