冰柱形成过程，冰柱的形成是凝固吗

在火山活动频繁的地区，地质学家可以从火成岩的图案推断出过去火山活动的历史。在寒冷的极地地形中，科学家们也下大力气研究冰山、冰川等地形的特征和外貌，试图一窥地球过去的气候变化。

但与坚固的岩层相比，冰层会随着温度的升高而融化或膨胀，冰与水的边界不断变化，形成各种奇特的冰山。科学家对冰的形状和温度如何相互影响有了新的认识。

他们发现，当冰柱放在不同温度的水中时，融化的模式是不同的。当周围水温为8时，原冰柱形成尖端朝上的冰柱；反之，当水温接近4时，钟乳石的倒置形态终于出现。最令人惊讶的是，当水温处于中间时，冰柱表面出现规则的波浪式起伏，像精致的玻璃艺术品。

这一结果表明，随着环境温度的变化，冰和水的边界轮廓会有不同的外观。也就是说，某种程度上可以从冰的形状推断出融化温度！

从左到右分别是4、5.6和8下冰柱在水中的融化。图/参考。2

为什么冰柱在不同温度下融化会有不同形状？

这样的奇怪现象与水的一些独特性质有关。一般来说，物质越冷，密度越高，但水在4时会有最大密度，如果你把一块干冰放在空气中，升华产生的冷二氧化碳高于周围的空气密度，所以它会沉到表面，然后散开。此时，干冰周围的气流均匀地向下流动。

但是冰柱在水中不一定如此。根据周围水温的不同，新融化的冰水可能会向下或向上流动。至于实际情况，还得在实验室里搞清楚。

这个实验说起来简单，但实际的设计和实现并不容易。一般冰柜里做的冰块都含有很多气泡和杂质。为了消除这些因素的影响，冰柱必须从一端冷却固化，避免气泡被困在里面。解决了冰柱的泡沫之后，还有一个重要的未解问题：温度在哪里？

冰柱缓慢融化产生的零度冰水会改变冰柱周围的温度。同时，冰柱和水在不断地交换热能，它们永远达不到热平衡。所以“环境水温”是指相对较大的外围水体的温度。实验小组将水体放入类似冰箱的温控装置中，待水温达到均匀温度后再放入冰柱中。在冰柱融化过程中，外围温度仍然由设备持续控制，但此时冰柱周围的局部温度出现了各种可能性，这里温度的微妙变化是亮点。

当周围水温在7左右时，新融化的0冰水密度相对较大，因此会向下下沉，与干冰和二氧化碳的情况一致。这种向下的低温水流为下面的冰柱提供了冷盾，导致融化速度缓慢上升和下降，最终形成一个尖端向上的冰锥。

相反，如果周围水温接近4的临界温度，0的冰水在对比中就成了较轻的角色。新融化的冰水随后倾向于向上流动，这与刚才的情况正好相反，导致冰柱最终变成了尖端向下的钟乳石。

00-1010然而除了这两种情况，更难以想象周围水温不升不降时的物理图像。当周围的水只有5左右时，新融化的0冰水比较轻，应该是向上流动的。但是因为冰柱到外围的温度是不断变化的，我们知道中间某个区域会有高密度的4的水，会向下流动。

也就是说，此时由于密度差造成的对流有两层：靠近冰柱的内层向上，外层向下。

按照刚才的逻辑，我们接下来的问题是：双对流包围的冰柱，哪边融化的更快？答案并不明显，但实验中看到的波形已经揭示了一些线索：这些波状的线不能

一些不寻常的事情正在发生，但低速度的密度对流很难在实验中直接观察到，所以物理学家写下了流体力学和热传导的方程，发现很难计算并扔给计算机模拟，让它计算出水流在每一刻的流向。模拟结果表明，波形槽是由环形涡流刻蚀的。

三种不同温度下计算机模拟结果的横截面。水流速度用白色小箭头表示。环境水温从左到右分别为4，5.6，8。三幅迷你图的左半部分和右半部分分别是冰柱融化的初期和后期。粉色曲线是当地水密度的空间分布，橙色曲线是流速分布，向上方向为正。在(a)较冷的水温中，冰柱附近的密度较低，水流速度向上，而在(c)中，情况正好相反。特别地，只有图(b)的左半部分显示了跨越正负的速度分布，即靠近冰柱的内层向上流动，而外层向下流动。另一方面，相反方向流动的水造成了一个圆形漩涡，如图(b)右半部分所示，融化了冰柱上的一个凹槽。00-1010这些涡旋不是凭空随机出现的，而是因为相邻两层密度和速度不同的流体难以稳定共存。

一个常见的例子是当风很大的时候

拂过水面，风的气流和水面几乎平行，所以概念上平整水面的形状，是不会受到风的吹拂影响，表面的水只会跟着风一起流动。但实际上不是如此，受到风吹的水面不只会流动，表面还会出现皱褶与波澜。

这种因两种密度不同的流体（空气与水、不同温度的水）有速度差异，所产生的交界面不稳定的现象，被称为克耳文–亥姆霍兹不稳定性。天空中有时可见到的「风起云涌」，以及太空中一些气体行星表面的漩涡状花纹，也都是出自同样的原理。

在冰柱融化的情况中，两层密度不同，流向相反的水流势力在冰柱外围对抗。但层与层之间的整齐边界无法长久维持，而是会形成环状的涡流。

这些涡流将外围温度较高的水引入，使得该处融化较快，形成一个个的凹槽。它们像上图的白云一样，拥有相对整齐的间隔和特定的波长大小，最后使冰柱演化成特殊的波浪状型态。

将电脑模拟结果和实验结果比对后，物理学家证实这个物理图像的确可以準确描述冰柱的融化过程。这些发现可以帮助未来的地质学家更加了解极地地形中常见到的冰锥和波浪形状是如何形成，以及气候变迁下融化的冰山经历的气温变化。

参考文献

1. Scientists uncover how the shape of melting ice depends on water temperature
2. Weady, S., Tong, J., Zidovska, A., & Ristroph, L. (2022). Anomalous convective flows carve pinnacles and scallops in melting ice.Physical Review Letters,128(4), 044502.

• 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！