Hvordan isens vækst afhænger af væskedynamikken nedenunder

Forskere fra Toschi-gruppen fra Eindhoven University of Technology mener, at problemet med vandfaseændringer med hensyn til vandtæthedens anomali er af stor betydning i forbindelse med almindelige naturfænomener. Deres forskningsplan er først og fremmest at forstå de fundamentale fysik, det er, det koblede problem med de stabilt og ustabilt lagdelte lag med hensyntagen til tæthedsanomalien.

Det nuværende arbejde er kun et springbræt til senere at udforske mere interessante, men komplekse isdannelsesproblemer. I fremtiden, de planlægger også at undersøge isens smeltning og dannelse med hensyn til havvandet, f.eks. i eksperimenterne tilsætning af salt til systemet og i simuleringen tilføjelse af koncentration skalarfelt koblet med temperaturfeltet (som er den 'dobbelt-diffusive konvektion') for at efterligne havvandet.

Væskedynamik kan ændre systemets adfærd

Landskaber, som følge af is-vand-interaktioner kombineret med størkning/smeltning, er allestedsnærværende i naturen, alligevel har de fleste tidligere undersøgelser ikke taget højde for den rige væskedynamik forårsaget af vandtæthed anomali under den bevægelige isfront, som kan ændre systemets adfærd drastisk. Ved eksperimenter, numeriske simuleringer, og teoretisk modellering, forskere undersøger vandets størkning og dens dynamiske kobling med (turbulente) konvektive strømme.

Vi afslører fire forskellige regimer og udvikler en teoretisk model, der er i stand til præcist at fange istykkelse og istidstider. Fysiske mekanismer afsløret fra denne undersøgelse, når det anvendes på geologiske optagelser af søis, kan give en indikator for klimaændringer. De nuværende undersøgelser giver en dybere indsigt i forståelsen af ​​koblingen mellem faseændring og lagdeling i marine, geofysiske, og astrofysiske systemer.

Fire distinkte flow-dynamik-regimer

Konvektive strømme kombineret med størkning eller smeltning i vandområder spiller en stor rolle i udformningen af ​​geofysiske landskaber. Især i forhold til det globale klimaopvarmningsscenario, det er essentielt at være i stand til nøjagtigt at kvantificere, hvordan vandmiljøer dynamisk spiller sammen med isdannelse eller smelteproces. Tidligere undersøgelser har afsløret den komplekse karakter af isningsprocessen, men har ofte ignoreret en af ​​de mest bemærkelsesværdige egenskaber ved vand, dens tæthedsanomali, og de inducerede lagdelingslag interagerer og kobler på en kompleks måde i nærvær af turbulens.

Ved at kombinere eksperimenter, numeriske simuleringer, og teoretisk modellering, forskere undersøger størkning af ferskvand, korrekt overvejer faseovergang, vandtæthed anomali, og reelle fysiske egenskaber ved is- og vandfaser, vist sig at være afgørende for korrekt at forudsige de forskellige kvalitative og kvantitative adfærd. Forskerne identificerer, med stigende termisk kørsel, fire distinkte flow-dynamik-regimer, hvor forskellige niveauer af kobling mellem isfront og stabilt og ustabilt lagdelte vandlag forekommer. På trods af det komplekse samspil mellem isfronten og flydende bevægelser, bemærkelsesværdigt, den gennemsnitlige istykkelse og væksthastighed kan godt fanges med den teoretiske model. Det afsløres, at den termiske kørsel har store effekter på den tidsmæssige udvikling af den globale isproces, som kan variere fra et par dage til et par timer i det nuværende parameterregime. Modellen kan anvendes til generelle situationer, hvor isingsdynamikken opstår under forskellige termiske og geometriske forhold.