Ледяной шип

Ледяной шип — это ледяное образование, часто имеющее форму перевернутой сосульки, выступающее вверх над поверхностью замерзшей воды. Ледяные шипы, возникающие в результате естественных процессов на поверхности небольших водоемов замерзшей воды, отмечаются уже многие десятилетия, хотя их возникновение довольно редко. Механизм их формирования, ныне известный как модель Балли-Дорси, был предложен в начале 20 века, но в течение многих лет не проверялся в лаборатории. В последние годы в Интернете появилось множество фотографий природных ледяных шипов, а также способов их искусственного изготовления путем замораживания дистиллированной воды в бытовых холодильниках или морозильниках. Это позволило небольшому числу учёных проверить гипотезу в лабораторных условиях, и, хотя эксперименты, похоже, подтверждают обоснованность модели Балли-Дорси, они подняли дополнительные вопросы о том, как формируются естественные ледяные шипы, и предстоит ещё много работы. необходимо сделать до того, как явление будет полностью понято. Естественные ледяные шипы могут принимать форму, отличную от классической формы шипов, и по разным сообщениям о них ледяные свечи , ледяные башни или ледяные вазы , поскольку для этих других форм не существует стандартной номенклатуры. Одна особенно необычная форма имеет форму перевернутой пирамиды. ^[1]

Хотя естественные ледяные шипы обычно измеряются в дюймах или сантиметрах, в отчете, опубликованном в информационном бюллетене Исторического общества Харбор-Крик канадцем Джином Хойзером, который пересек замерзшее озеро Эри в 1963 году, говорилось о «маленьких дырочках во льду, через которые вода внизу ему периодически приходилось под давлением подниматься в воздух и замерзать, образуя замерзшие струи высотой пять футов (1,5 м), которые выглядели для него как телефонные столбы, стоящие прямо по всему озеру». ^[2]

Фон

Ледяные шипы считались редким природным явлением на протяжении десятилетий. ^[3] Модель механизма формирования была независимо предложена О. Балли и Х. Э. Дорси в начале 20 века и до сих пор является наиболее широко принятым объяснением этого явления. ^[4] Шипы, как правило, образуются в контейнерах, таких как купальни для птиц и поилки для домашних животных, где вода быстро замерзает, а не в больших водоемах, таких как озера и пруды. ^[5] Был опубликован ряд веб-страниц, на которых представлены фотографии необычных ледяных образований и обсуждается это явление, а также сообщалось о ряде случаев образования ледяных шипов на кубиках льда в бытовых холодильниках. ^[6]^[7] Возможность выращивать ледяные шипы в контролируемой среде побудила исследователей физического факультета Калифорнийского технологического института под руководством Кеннета Либбрехта провести небольшое количество исследований условий, необходимых для формирования шипов. ^[3]^[4]

Механизм образования

Встречающиеся в природе ледяные шипы, часто в форме круглых ледяных свечей или многогранных ледяных башен (обычно треугольных), иногда встречаются в контейнерах с замерзшей дождевой или водопроводной водой. ^[8] Вода расширяется на 9% при замерзании в лед, а простейшая форма кристалла льда, отражающая его внутреннюю структуру, — это шестиугольная призма . Верхняя и нижняя грани кристалла представляют собой шестиугольные плоскости, называемые базисными плоскостями , а направление, перпендикулярное базисным плоскостям, называется осью c . ^[9]

Процесс начинается, когда поверхностная вода зарождается вокруг неровностей в местах соприкосновения со стенкой контейнера. Если ось c первого образовавшегося кристалла не вертикальна, базальная плоскость пересекает поверхность по линии, перпендикулярной оси c, и ледяные иглы имеют тенденцию распространяться по поверхности вдоль этой линии. Проще говоря, поверхность промерзает с краев внутрь, так что незамерзшей остается лишь небольшая поверхностная дырочка. ^[9] Кристаллитовые завесы имеют тенденцию соединяться под углом 60 градусов, поэтому отверстие часто имеет треугольную форму. ^[6] Продолжающееся замерзание воды, находящейся ниже поверхности льда, затем медленно выталкивает оставшуюся воду вверх через отверстие. Достигая очень холодного воздуха, край выдавленной воды замерзает, оставаясь при этом жидкостью в центре. Чем больше замерзает внизу, тем больше воды поднимается вверх, край замерзает и так далее. Если скорость выдавливания воды такая же, как и скорость замерзания у края лунки, то этот процесс постоянно повторяется и последовательные слои образуют растущую вверх трубку льда. ^[9] Образование ледяных шипов связано с формой водоема, концентрацией растворенных примесей, температурой воздуха и циркуляцией над водой. ^[3] Шипы, растущие из кристаллитов, образовавшихся под поверхностью воды, могут выступать из ледяного покрова под крутым углом, а не перпендикулярно ему. ^[5] Процесс образования ледяных шипов встречается редко - чаще всего поверхность замерзает полностью, а когда вода под поверхностью замерзает, она выталкивает весь поверхностный лед вверх.

Три ледяных шипа растут в морозильной камере бытового холодильника.

Небольшие ледяные шипы можно образовать искусственно на кубиках льда, произведенных в бытовых холодильниках; использование дистиллированной воды в пластиковых формочках для кубиков льда. Формирование шипа аналогично образованию естественного шипа в том, что расширение внутренней воды и уменьшение объема внутри куба увеличивают давление на воду, выталкивая ее вверх через отверстие. Рост трубки прекращается, когда капля наверху трубки полностью замерзает, что происходит существенно раньше, чем замерзнет остальная вода в кубе. ^[4] Этот метод позволяет получить небольшие шипы, обычно круглого или треугольного сечения с острыми кончиками. Эксперименты с использованием этого метода проводились в лабораторных условиях, но было обнаружено, что шипы с меньшей вероятностью образуются в кубиках льда, приготовленных из недистиллированной воды, поскольку примеси в воде препятствуют образованию шипов. ^{[номер 1]}^[10] Это ставит вопрос о том, как естественным образом образуются ледяные шипы в водопроводной или дождевой воде, и Либбрехт и Луи предположили, что в случае небольших шипов, выращенных в холодильнике, примеси будут все больше концентрироваться в маленьких незамерзших каплях наверху. трубка снижает скорость замерзания и, следовательно, рост трубки. Однако они полагают, что в тех редких случаях, когда исключительно большие шипы растут в естественных ледяных образованиях на открытом воздухе, какой-то другой механизм должен удалять примеси, которые накапливаются в верхней части растущей трубки. Либо примеси попадают в карманы, которые замерзают медленнее, либо, возможно, конвективный поток, который был бы незначительным в более мелких, искусственно выращенных шипах, заменяет воду в верхней части трубки пресной водой снизу. ^[3]

Результаты работы, проведенной в Калифорнийском технологическом институте, позволили провести эксперименты, которые могли бы еще больше прояснить это явление. ^[3]^[4]

См. также

Пояснительные примечания

^ Либбрехт, главный исследователь этого явления, признает, что он не может объяснить, почему шипы легко растут на кубиках льда, приготовленных из водопроводной воды.

Ссылки

^ «изображения удивительного ледяного шипа в форме перевернутой пирамиды » . У вас есть шипы на кубиках льда? . Калтех . Проверено 17 января 2013 г.
^ Кирк, Гарольд. «На север» . Информационный бюллетень Исторического общества Харбор-Крик . Университет Торонто . Проверено 17 января 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Либбрехт, КГ; Луи, К. (2003), Исследование выращенных в лаборатории ледяных шипов (PDF)
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ледерер, Самуэль. «Влияние химических добавок на образование ледяных шипов» (PDF) . Калтех . Проверено 13 января 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Моррис, Стивен (30 апреля 2007 г.). «Иногда кубики льда в формочках для льда в моей морозильной камере приобретают сталагмитоподобную форму без каких-либо очевидных необычных помех. Можете ли вы объяснить, что является причиной этого?» . Научный американец .
^ Jump up to: ^а ^б Моррис С. «На кубиках льда есть шипы?» . Группа нелинейной физики . Университет Торонто . Проверено 13 января 2013 г.
^ Картер, Джеймс. «Ледяные образования с ежедневными (суточными) циклами замерзания/оттаивания» . Географо-геологический факультет . Государственный университет Иллинойса. Архивировано из оригинала 26 ноября 2017 года . Проверено 14 января 2013 г.
^ Берт, Стивен (март 2008 г.). «Ледяная свеча». Погода . 63 (3): 84. Бибкод : 2008Wthr...63...84B . дои : 10.1002/wea.212 . S2CID 247673172 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Шлаттер, Том; Найт, доктор Чарльз (март – апрель 2009 г.). «Погодные запросы». По погоде . 62 (2): 58–59. дои : 10.3200/WEWI.62.2.58-59 . S2CID 219611434 .
^ Либбрехт, Кеннет Г. «Ледяные шипы… Странные вещи, которые можно найти в морозильной камере…» Снежные кристаллы . Калтех . Проверено 29 марта 2013 г.

Дальнейшее чтение

Балли, Оскар (1935). «О своеобразном образовании кристаллов льда» . Helvetica Chimica Acta . 18 (1): 475–476. дои : 10.1002/hlca.19350180164 .
Дорси, Герберт Гроув (1921). «Особые ледяные образования» . Физический обзор . 18 (2): 162–4. Бибкод : 1921PhRv...18...85. . дои : 10.1103/physrev.18.85 .
Халлет, Дж (1959). «Рост кристаллов и образование шипов на поверхности переохлажденной воды» (PDF) . Журнал гляциологии . 103 (28): 698–704. Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2012 года . Проверено 3 июля 2013 г.
О'Хара, Майкл (2007). «Тизер морозильной камеры». Как окаменеть хомяка: и другие удивительные эксперименты для кабинетного ученого . Профильные книги. стр. 139 , 142. ISBN. 978-1846680441 .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с Ледяным шипом ( категория ) на Викискладе?

[10] Либбрехт, главный исследователь этого явления, признает, что он не может объяснить, почему шипы легко растут на кубиках льда, приготовленных из водопроводной воды.

[1] «изображения удивительного ледяного шипа в форме перевернутой пирамиды » . У вас есть шипы на кубиках льда? . Калтех . Проверено 17 января 2013 г.

[2] Кирк, Гарольд. «На север» . Информационный бюллетень Исторического общества Харбор-Крик . Университет Торонто . Проверено 17 января 2013 г.

[Libbrecht-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Либбрехт, КГ; Луи, К. (2003), Исследование выращенных в лаборатории ледяных шипов (PDF)

[Lederer-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ледерер, Самуэль. «Влияние химических добавок на образование ледяных шипов» (PDF) . Калтех . Проверено 13 января 2013 г.

[Morris-5] Jump up to: ^а ^б Моррис, Стивен (30 апреля 2007 г.). «Иногда кубики льда в формочках для льда в моей морозильной камере приобретают сталагмитоподобную форму без каких-либо очевидных необычных помех. Можете ли вы объяснить, что является причиной этого?» . Научный американец .

[utoronto-6] Jump up to: ^а ^б Моррис С. «На кубиках льда есть шипы?» . Группа нелинейной физики . Университет Торонто . Проверено 13 января 2013 г.

[Carter-7] Картер, Джеймс. «Ледяные образования с ежедневными (суточными) циклами замерзания/оттаивания» . Географо-геологический факультет . Государственный университет Иллинойса. Архивировано из оригинала 26 ноября 2017 года . Проверено 14 января 2013 г.

[8] Берт, Стивен (март 2008 г.). «Ледяная свеча». Погода . 63 (3): 84. Бибкод : 2008Wthr...63...84B . дои : 10.1002/wea.212 . S2CID 247673172 .

[Schlatter-9] Jump up to: ^а ^б ^с Шлаттер, Том; Найт, доктор Чарльз (март – апрель 2009 г.). «Погодные запросы». По погоде . 62 (2): 58–59. дои : 10.3200/WEWI.62.2.58-59 . S2CID 219611434 .

[11] Либбрехт, Кеннет Г. «Ледяные шипы… Странные вещи, которые можно найти в морозильной камере…» Снежные кристаллы . Калтех . Проверено 29 марта 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[номер 1]

[10]