Los científicos descubren cómo la forma del hielo derretido depende de la temperatura del agua

Un equipo de matemáticos y físicos ha descubierto cómo las formaciones de hielo son moldeadas por fuerzas externas, como la temperatura del agua. Su investigación recientemente publicada puede ofrecer otro medio para medir los factores que causan el derretimiento del hielo.

«Las formas y patrones del hielo son indicadores sensibles de las condiciones ambientales en las que se derritió, lo que nos permite ‘leer’ la forma para inferir factores como la temperatura ambiente del agua», explica Leif Ristroph, profesor asociado de Courant de la Universidad de Nueva York. Institute of Mathematical Sciences y uno de los autores del artículo, que aparece en la revista Cartas de revisión física.

«Nuestro trabajo ayuda a comprender cómo el derretimiento induce patrones de flujo inusuales que a su vez afectan el derretimiento, que es una de las muchas complejidades que afectan al hielo en nuestro planeta», agrega la autora Alexandra Zidovska, profesora asociada en el Departamento de Física de la Universidad de Nueva York.

Los otros autores del artículo fueron Scott Weady, un estudiante graduado de la NYU, y Josh Tong, un estudiante universitario de la Facultad de Artes y Ciencias de la NYU en el momento del estudio.

En el Laboratorio de Matemáticas Aplicadas y el Centro de Investigación de Materia Blanda de la Universidad de Nueva York, los investigadores estudiaron, a través de una serie de experimentos, el derretimiento del hielo en el agua y, en particular, cómo la temperatura del agua afecta las formas y patrones finales del hielo. Para ello, crearon hielo ultrapuro, libre de burbujas y otras impurezas. El equipo registró el derretimiento del hielo sumergido en tanques de agua en un «cuarto frío», que es similar a una cámara frigorífica cuya temperatura se controla y varía.

«Nos enfocamos en las bajas temperaturas, de 0 a 10 grados centígrados, a las que normalmente se derrite el hielo en las aguas naturales, y encontramos una sorprendente variedad de formas que se formaron», dice Ristroph, quien dirige el Laboratorio de Matemáticas Aplicadas.

Específicamente, a temperaturas muy frías, por debajo de los 5 grados C, las piezas toman la forma de un pico o «pináculo» que apunta hacia abajo, similar a un carámbano, pero perfectamente liso (sin ondas). Para temperaturas superiores a aproximadamente 7 grados C, se forma la misma forma básica, pero al revés: una espiga apuntando hacia arriba. Porque entre temperaturas, el hielo tiene patrones ondulados y ondulados que se derriten en su superficie. Patrones similares, llamados «vieiras», se encuentran en los icebergs y otras superficies de hielo en la naturaleza.

Estas diferencias de forma se deben a cambios en los flujos de agua, que están determinados por sus temperaturas.

«El derretimiento provoca gradientes en la temperatura del agua cerca del hielo, lo que hace que el líquido en diferentes lugares tenga diferentes densidades», explica Weady. «Esto genera flujos debido a la gravedad, con el hundimiento de líquidos más pesados ​​y el ascenso de fluidos más livianos, y tales flujos a lo largo de la superficie conducen a diferentes tasas de fusión en diferentes lugares y, por lo tanto, a cambios en la forma».

«Lo extraño de la física es que el agua líquida tiene una dependencia muy inusual de la densidad de la temperatura, en particular, un máximo de densidad de alrededor de 4 grados C», agrega. «Esta ‘anomalía de densidad’ hace que el agua sea única en comparación con otros fluidos».

La investigación muestra que esta propiedad es la responsable de producir caudales muy diferentes, dependiendo del valor exacto de la temperatura del agua. Los pináculos descendentes a bajas temperaturas están asociados con flujos ascendentes, mientras que los pináculos ascendentes tienen flujos descendentes. Los patrones festoneados se forman porque los flujos ascendentes muy cerca de la superficie interactúan con los flujos descendentes más lejanos, desestabilizando en vórtices que excavan hoyos en el hielo.

«Nuestros hallazgos ayudan a explicar algunas formas características del hielo que se ven en la naturaleza, específicamente la llamada morfología de pináculo de los icebergs que consiste en puntas afiladas o agujas y las llamadas vieiras que consisten en patrones ondulados de pozos», señala Ristroph.

«El contexto más amplio de este trabajo se relaciona con el clima cambiante de la Tierra y el aumento de la tasa de derretimiento del hielo en todo nuestro planeta», continúa. «Es importante comprender mejor la física y las matemáticas detalladas del derretimiento a escalas más pequeñas, ya que estos son componentes clave de los modelos climáticos a mayor escala».