Le curiose proprietà delle increspature sui ghiaccioli

Una strana caratteristica dei ghiaccioli è che a volte la loro superficie può incresparsi, come nella foto sopra. La lunghezza d'onda di queste increspature è sempre di circa 1 cm.

Circa dieci anni fa, Kazuto Ueno, ora all'Université du Québec á Chicoutimi in Canada, ha sviluppato un modello teorico per spiegare questo fenomeno.

Il suo pensiero va così. I ghiaccioli sono ricoperti da un sottile strato di acqua sottoraffreddata a meno di 0 gradi C e questo scorre sotto la forza di gravità. Quando questo strato si congela, rilascia calore che può irradiarsi più facilmente dalla parte convessa di un'increspatura rispetto alla parte concava. Quindi il ghiaccio si forma preferenzialmente sulle aree convesse, rendendole più grandi.

La superficie dei ghiaccioli all'inizio è liscia, ma qualsiasi piccola perturbazione nel flusso d'acqua su di essi crea increspature che si congelano rapidamente in questo maniero. La lunghezza d'onda di queste increspature è determinata dalle proprietà di trasporto del calore dell'acqua che scorre sul ghiaccio, che sono approssimativamente costanti e quindi spiega la lunghezza d'onda costante. Ecco!

Tuttavia, il modello di Ueno fa altre tre previsioni su queste increspature che non sono mai state osservate fino ad ora. Primo, che la lunghezza d'onda delle increspature dovrebbe aumentare al diminuire dell'angolo del piano inclinato; secondo che la lunghezza d'onda dovrebbe aumentare solo gradualmente con l'aumento dell'apporto d'acqua; e infine che le increspature si muovano verso l'alto a circa la metà della velocità del tasso medio di crescita.

Oggi lui e alcuni amici rivelano i risultati dei loro sforzi per testare queste previsioni sia in simulazioni numeriche che in esperimenti di laboratorio.

La linea di fondo è che confermano le previsioni. La lunghezza d'onda può cambiare nel modo previsto e le increspature si muovono lentamente verso l'alto, anche se l'acqua scorre verso il basso.

C'è un interessante corollario a tutto questo. In questo lavoro, l'acqua scorre sempre sotto la forza di gravità. Ma cosa succede quando entrano in gioco anche le forze aerodinamiche o, in altre parole, come agisce il vento sulle increspature?

Questo è importante perché potrebbe far luce sul processo di congelamento delle ali e delle turbine degli aerei, un problema significativo e potenzialmente pericoloso per la vita.

Ueno e compagni dicono che stanno esaminando proprio questa domanda e ci faranno sapere quando lo scopriranno.

Rif: arxiv.org/abs/1102.4890 : Verifica Numerica E Sperimentale Di Un Modello Teorico Di Formazione Di Ripple In Crescita Di Ghiaccio Sotto Flusso Di Film Di Acqua Superraffreddata

21 marzo 2011 Rettifica:

Kazuto Ueno scrive che la seguente frase in questo post non rappresenta il suo punto di vista: Quando questo strato si congela, rilascia calore che può irradiarsi più facilmente dalla parte convessa di un'increspatura rispetto alla parte concava. Quindi il ghiaccio si forma preferenzialmente sulle aree convesse, rendendole più grandi.

Invece, fornisce la seguente spiegazione: qualsiasi parte convessa dell'interfaccia acqua-aria è leggermente spostata verso l'alto rispetto a quella dell'interfaccia ghiaccio-acqua, quindi il rilascio del calore latente è ampio sul lato a monte di qualsiasi parte convessa del ghiaccio -interfaccia acqua. Ciò significa che il ghiaccio cresce più velocemente sul lato a monte che sul lato a valle di qualsiasi parte convessa dell'interfaccia ghiaccio-acqua. Di conseguenza, non solo l'ampiezza delle increspature cresce, ma le increspature si spostano anche verso l'alto con il tempo, come osservato sperimentalmente.

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