Наука и сосульки: Ледяные волны

Ледяная «рябь» застывает на поверхности сосулек очень часто, причем длина волны всегда составляет около 1 см. Примерно 10 лет назад исследователь Казуто Уено (Kazuto Ueno), с чисто японской наблюдательностью обратил внимание на этот феномен, и создал объясняющую его теоретическую модель.

По его выкладкам, рождает эти волны тонкий слой переохлажденной воды на поверхности сосульки: хотя она и находится при температуре немного ниже нуля по Цельсию, она еще не застыла в лед и медленно стекает вниз вдоль сосульки. В конце концов наступает замерзание — процесс, как известно, экзотермический, т. е. сопровождающийся выделением тепла. Эффективность отдачи этого тепла выше на участках, где волна выгибается наружу, нежели там, где она вогнута. Соответственно, на возвышениях волны лед застывает немного быстрее, чем в углублениях — волна застывает и мало-помалу увеличивает амплитуду.

Изначально, конечно, поверхность сосульки практически гладкая. Лишь стекающая по ней переохлажденная вода образует первые — еще практически незаметные — волны, которые со временем растут и растут. Характерная длина волны определяется теплопередачей этого водного слоя.

Кроме того, в той же своей модели Казуто Уено сделал несколько и таких предположений о свойствах волн на сосульках, наблюдать которые не доводилось до сих пор никому. Во-первых, он показал, что длина волны должна уменьшаться по мере увеличения отклонения поверхности сосульки от вертикали. Во-вторых, что с увеличением количества воды длина волны должна линейно расти. И в-третьих, что волны должны медленно смещаться по поверхности сосульки, двигаясь вверх примерно вдвое медленней, чем средняя скорость роста самих волн.

И вот недавно, десять лет спустя, вместе с несколькими коллегами Уено представил результаты собственной проверки этих предположений — и сравнении полученных в лаборатории цифр с предсказаниями теории. Коротко говоря, все подтвердилось самым точным образом. Длина волны меняется в соответствии с формулами, и волны действительно медленно движутся вверх, пока вода на них стекает вниз.

Забавная работа может иметь довольно важные следствия — особенно если добавить к модели аэродинамические условия, то есть, ветер. Тогда теория может хорошо описывать эффекты, возникающие при обледенении самолетов, а важность этой проблемы вряд ли кто-нибудь до сих пор недооценивает.

Читайте также наш небольшой рассказ о снежинках с точки зрения современной науки: «Белая магия».

По публикации MIT Technology Review / physics arXiv blog