融化冰的形状取决于温度
实验显示浸没在水中融化冰的形状取决于温度，这表明自然冰的结构可以为分析水温提供线索。
根据最新的实验研究，冰柱浸没于水中融化时，会由于周围水的温度不同而形成三种不同结构。研究人员发现，与温度相关的融水浮力决定了冰柱融化的形状。随着地球日益变暖，自然冰进一步减少，了解温度对冰融化形状的影响能帮助研究人员从冰的形状推断地球自然环境条件的变换。
水不同于其他液体，因为它会在一个特定的温度——4℃——使密度达到最大值，这个温度远高于水的冰点。所以当水温低于4℃时，它会膨胀，而不是收缩。这就解释了为什么雪花会在水上漂浮。所有人都知道水的这个特性，但没有人重视它对于融化冰的形状的影响。而冰川融化是全球气候变暖的一个重要课题。
纽约大学的Leif Ristroph将一块15-20厘米长，直径几厘米的冰柱样品放入水温2-10℃的水中。冰柱被垂直固定。在融化时，研究人员让冰层附近区域的水温降低，但将温度保持在远离冰层的固定温度。
三种不同的温度导致了三种不同的结果。如果水温低于或等于4℃，冰柱会从下面融化，剩下一个光滑的倒放的圆锥形。如果水温在5-7℃，一个更为复杂的起伏的图案便会出现在冰柱上。而如果水温在7℃，就会形成一个正放的圆锥形。
Ristroph 和他的同事们猜测各种形状能被融水的浮力解释。为了验证这个想法，这个团队进行了一系列的模拟来证实这个猜测。
在水温为4℃左右时，模拟显示从融化的冰中出来的温度更低的液体——密度会比周围的水低——会浮上来。这种沿着冰面向上流动的水流将相对温暖的水吸入冰柱底部，所以那里融化的最快。在水向上流动时，冰使它降温，导致冰的最上部融化最慢。这种不同融化速度的模式就最终使冰柱变成了一个倒放的锥形。这支团队也发现，在充分温暖的水中发生了相反的情况，在冰表面的水的密度比底部的高。上部的水更温暖，融化得更快，最终使冰柱变成一个正放的冰锥。
对于温度适中的水，这个团队发现，情况更加难以察觉，因为融水可能会比在某些地方的水密度更大，却又比其他地方的水密度更小，这就导致了更复杂的流动。模拟显示在冰表面的温度更低，密度更小的水会向上流动，而几毫米外温度更高，密度更大的水则会向下流动。当这些相反的水流相互移动时，会形成一排垂直的漩涡。这些“对流滚动”会使冰柱呈波浪状融化，因为它们会把更热的液体带到冰面上。
Ristroph 认为这些结论可以对那些想对在自然冰中见到的形状和模式做解释的科学家提供帮助。“我们的发现提供了以前被忽视的尖峰和波浪形成机制，” Ristroph说，“这两种现象都常见于冰山和其他自然冰结构上。”
“我对这项工作感到震惊，”荷兰屯特大学流体物理学家 Detlef Lohse说道，“所有这些模式都是由于水的密度异常而产生的，因此只有在一个很小的温度窗口内才会出现。我没有想到是这样尖顶的形状”Lohse说这项工作对于关于冰川融化的研究“具有极大的相关性”，因为融化速度会被流体流动模式强烈影响。一些基础物理学原理仍没有被理解透彻，他说，但“Ristroph的论文以一种完美的方式阐明了这种物理学。”
#文本编辑：
编译：Thomas
排版：NanProud
#参考来源：
原文作者：Mark Buchanan
