اكتشف فريق من علماء الرياضيات والفيزياء كيف تتشكل التكوينات الجليدية بفعل قوى خارجية ، مثل درجة حرارة الماء. قد يقدم بحثه المنشور حديثًا وسيلة أخرى لقياس العوامل التي تسبب ذوبان الجليد.
يوضح ليف ريستروف ، الأستاذ المشارك في جامعة نيويورك ، أن “أشكال ونماذج الجليد هي مؤشرات حساسة للظروف البيئية التي ذاب فيها ، مما يسمح لنا” بقراءة “الشكل لاستنتاج عوامل مثل درجة حرارة المياه المحيطة “. معهد كورانت للعلوم الرياضية وأحد مؤلفي البحث ، والذي يظهر في مجلة فيزيكال ريفيو ليترز .
تضيف الكاتبة ألكسندرا زيدوفسكا ، الأستاذة المساعدة في قسم الفيزياء بجامعة نيويورك: “يساعد عملنا على فهم كيف يؤدي الذوبان إلى إحداث أنماط تدفق غير عادية تؤثر بدورها على الذوبان ، وهو أحد التعقيدات العديدة التي تؤثر على الجليد على كوكبنا”.
المؤلفون الآخرون للورقة هم سكوت ويدي ، طالب دراسات عليا في جامعة نيويورك ، وجوش تونغ ، طالب جامعي في كلية الآداب والعلوم بجامعة نيويورك وقت الدراسة.
في مختبر الرياضيات التطبيقية بجامعة نيويورك ومركز أبحاث المواد الناعمة ، درس الباحثون ، من خلال سلسلة من التجارب ، ذوبان الجليد في الماء ، وعلى وجه الخصوص ، كيف تؤثر درجة حرارة الماء على الأشكال النهائية للجليد ونمطه. للقيام بذلك ، قاموا بصنع جليد فائق النقاء خالٍ من الفقاعات والشوائب الأخرى. سجل الفريق ذوبان الجليد المغمور في خزانات المياه في “غرفة باردة” ، وهي تشبه الثلاجة الكبيرة التي يتم التحكم في درجة حرارتها وتنوعها.
يقول ريستروف ، مدير مختبر الرياضيات التطبيقية : “لقد ركزنا على درجات الحرارة الباردة – من 0 إلى 10 درجات مئوية – حيث يذوب الجليد في المياه الطبيعية عادةً ، ووجدنا مجموعة متنوعة مذهلة من الأشكال التي تشكلت”.
على وجه التحديد ، في درجات حرارة شديدة البرودة – تلك التي تقل عن 5 درجات مئوية – تتخذ القطع شكل مسمار أو “قمة” تشير إلى الأسفل – على غرار جليد ، لكنها ناعمة تمامًا (بدون تموجات). بالنسبة لدرجات الحرارة التي تزيد عن 7 درجات مئوية تقريبًا ، يتشكل الشكل الأساسي نفسه ، ولكنه مقلوب – ارتفاع يشير إلى الأعلى. ففي الفترات الفاصلة بين درجات الحرارة ، يكون للجليد أنماط متموجة ومتموجة تذوب على سطحها. تم العثور على أنماط مماثلة ، تسمى “الأسقلوب” ، على الجبال الجليدية والأسطح الجليدية الأخرى في الطبيعة.
ترجع هذه الاختلافات في الشكل إلى التغيرات في تدفقات المياه ، والتي تحددها درجات حرارتها.
يوضح ويدي: “يتسبب الذوبان في حدوث تدرجات في درجة حرارة الماء بالقرب من الجليد ، مما يؤدي إلى اختلاف كثافة السائل في أماكن مختلفة”. “هذا يولد تدفقات بسبب الجاذبية – مع غرق سائل ثقيل وارتفاع سائل أخف – ومثل هذه التدفقات على طول السطح تؤدي إلى معدلات ذوبان مختلفة في مواقع مختلفة وبالتالي تغيرات في الشكل.”
ويضيف: “الشيء الغريب في الفيزياء هو أن الماء السائل له اعتماد غير عادي للغاية للكثافة على درجة الحرارة ، ولا سيما الحد الأقصى للكثافة عند حوالي 4 درجات مئوية”. “هذا الشذوذ في الكثافة يجعل الماء فريدًا مقارنة بالسوائل الأخرى.”
أظهر البحث أن هذه الخاصية مسؤولة عن إنتاج تدفقات مختلفة جدًا ، اعتمادًا على القيمة الدقيقة لدرجة حرارة الماء. ترتبط القمم الهابطة عند درجات الحرارة المنخفضة بالتدفقات الصاعدة ، بينما تتدفق القمم الصاعدة إلى أسفل. تتشكل الأنماط الصدفيّة لأن التدفقات الصاعدة بالقرب من السطح تتفاعل مع التدفقات إلى الأسفل بعيدًا ، مما يؤدي إلى زعزعة الاستقرار في دوامات تحفر حفرًا في الجليد.
“تساعد النتائج التي توصلنا إليها في تفسير بعض الأشكال المميزة للجليد في الطبيعة ، وتحديداً ما يسمى مورفولوجيا قمة الجبال الجليدية التي تتكون من مسامير حادة أو أبراج وما يسمى بالأسقلوب التي تتكون من أنماط متموجة من الحفر ،” يلاحظ ريستروف.
ويتابع “السياق الأكبر لهذا العمل يتعلق بالتغير المناخي للأرض وزيادة معدل ذوبان الجليد عبر كوكبنا”. “من المهم أن نفهم بشكل أفضل الفيزياء التفصيلية ورياضيات الذوبان على نطاقات أصغر ، حيث إنها مكونات رئيسية لنماذج مناخية واسعة النطاق.”
