形状奇特的冰泡讲述冰的形成和成分的故事

泪滴状、扁平蛋状和蠕虫状的气泡揭示了冰的内部生命

Image of ice bubbles beneath a body of water, with a cliff in the background with a sunset

Anton Petrus/Getty Images

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仔细观察冰块,你可能会发现微小的气泡,形状像泪滴、扁平的鸡蛋,甚至弯曲的蠕虫。俄罗斯贝加尔湖的冰泡图案(如图所示)更加生动。研究人员发现,冰泡的奇特形状可以揭示水结冰的速度和溶解在其中的气体量,为冰川学家和工程师提供关键见解

当水结冰时,大部分溶解的气体会被排出。但是,冷冻边缘附近的一些微小气泡会被困在凝固的冰中,并在那里继续生长。在巴黎工业物理化学高等教育学院研究流体 mechanics 的 Virgile Thiévenaz 和加州大学圣巴巴拉分校的机械工程师 Alban Sauret 在实验室中重现了这一过程,以梳理影响气泡生长形状和大小的因素。

正如 Thiévenaz 在美国物理学会会议的演示中解释的那样,研究人员观察到冰泡永远不是球形的,而是沿冷冻方向拉长。研究人员发现,含有许多小的、略微拉长的气泡的冰样本表明冷冻速率高且气体浓度高,而含有少量较大、较长孔隙的样本冷冻速度较慢。这些变化在数学上是可预测的:“我们可以用相同的方程匹配大多数气泡,”Thiévenaz 说。如果你知道样本的冷冻速率,你就可以计算出气体浓度,反之亦然。他们的方程预测,长长的圆柱形冰泡“蠕虫”有时会不受控制地生长,从而削弱周围的结构。


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环境冰讲述了过去的故事,但确定过去的冰冻条件很棘手。Thiévenaz 和 Sauret 表示,基于气泡形状进行推断可能对研究湖冰和冰川岩心的研究人员有所帮助。俄勒冈州立大学冰川学家 Erin Pettit 对此表示赞同。“我一直对冰川内重新冻结水袋中的蠕虫状气泡感到困惑,”她说。“看到它们形成背后的物理原理真是令人兴奋。”

此外,许多工程师因其重量轻而青睐用于某些应用的多孔固体。研究人员认为,通过控制气体浓度和冷冻速度,科学家们可以在理论上决定材料的孔隙形状,从而生产出坚固轻便的金属、玻璃和陶瓷。

Rachel Berkowitz 是一位自由科学作家,也是《物理杂志》的特约编辑。她常驻不列颠哥伦比亚省温哥华和华盛顿州伊斯特桑德。

更多作者:Rachel Berkowitz
大众科学 Magazine Vol 330 Issue 6本文最初以“冰的秘密”为标题发表于《大众科学》杂志第 330 卷第 6 期(),第 20 页
doi:10.1038/scientificamerican062024-5aKqVOicsv8XH3p1BsRn5R
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