Введение
Ледяной пик – ледяное образование, часто в форме перевернутой сосульки, выступающее вверх от поверхности замерзшего водоема. О ледяных шипах, образованных естественными процессами на поверхности небольших замерзших водоемов, сообщалось на протяжении многих десятилетий, хотя их появление довольно редко. Механизм их образования, известный как модель Балли–Дорси, был предложен в начале XX века, но долгое время не был проверен в лабораторных условиях. В последние годы в интернете появилось множество фотографий естественных ледяных шипов, а также методы их искусственного получения путем замораживания дистиллированной воды в бытовых холодильниках или морозильниках. Это позволило небольшому числу ученых проверить гипотезу в лабораторных условиях, и хотя эксперименты, по-видимому, подтверждают справедливость модели Балли–Дорси, они вызвали новые вопросы о том, как формируются естественные ледяные шипы, и требуется дальнейшая работа для полного понимания этого явления. Естественные ледяные шипы могут вырастать в формы, отличные от классической формы шипа, и их описывали как ледяные свечи, ледяные башни или ледяные вазы, поскольку для этих других форм не существует стандартной номенклатуры. Особенно необычная форма напоминает перевернутую пирамиду. Хотя естественные ледяные шипы обычно измеряются в дюймах или сантиметрах, в отчете, опубликованном в бюллетене Harbor Creek Historical Society Newsletter, канадский исследователь Джин Хойзер, пересекший в 1963 году замерзшее озеро Эри, упоминал о "маленьких отверстиях во льду, через которые вода под давлением периодически вырывалась вверх и замерзала", образуя "замерзшие фонтаны" высотой 1,5 метра (2 м), которые, по его словам, напоминали телефонные столбы, прямо стоящие по всему озеру.
An ice spike is an ice formation, often in the shape of an inverted icicle, that projects upwards from the surface of a body of frozen water. Ice spikes created by natural processes on the surface of small bodies of frozen water have been reported for many decades, although their occurrence is quite rare. A mechanism for their formation, now known as the Bally–Dorsey model, was proposed in the early 20th century but this was not tested in the laboratory for many years. In recent years a number of photographs of natural ice spikes have appeared on the Internet as well as methods of producing them artificially by freezing distilled water in domestic refrigerators or freezers. This has allowed a small number of scientists to test the hypothesis in a laboratory setting and, although the experiments appear to confirm the validity of the Bally–Dorsey model, they have raised further questions about how natural ice spikes form, and more work remains to be done before the phenomenon is fully understood. Natural ice spikes can grow into shapes other than a classic spike shape, and have been variously reported as ice candles, ice towers or ice vases as there is no standard nomenclature for these other forms. One particularly unusual form takes the shape of an inverted pyramid. Although natural ice spikes are usually measured in inches or centimeters, a report that appeared in the Harbor Creek Historical Society Newsletter by Canadian Gene Heuser, who hiked across frozen Lake Erie in 1963, spoke of "small pinholes in the ice through which the water below was periodically forced under pressure to spout up into the air and freeze" producing 5 feet (2 m) "frozen spurts that looked to him like telephone poles standing straight up all over the lake".
Предыстория
В течение десятилетий о ледяных шипах сообщалось как о редком природном явлении. Модель механизма их образования была предложена независимо О. Балли и Х. Э. Дорси в начале XX века, и на сегодняшний день это наиболее общепринятое объяснение этого феномена. Шипы, как правило, формируются в емкостях, таких как поилки для птиц и миски для питья домашних животных, где вода замерзает быстро, а не в крупных водоемах, таких как озера и пруды. В сети опубликовано множество веб-страниц с фотографиями необычных ледяных образований и обсуждениями этого явления, а также поступали сообщения о случаях образования ледяных шипов на кубиках льда в бытовых холодильниках. Возможность выращивать ледяные шипы в контролируемых условиях побудила небольшую группу исследователей из Физического факультета Калифорнийского технологического института под руководством Кеннета Г. Либбрехта изучить условия, необходимые для формирования шипов. Вода расширяется на 9% при замерзании, а простейшая форма кристалла льда, отражающая его внутреннюю структуру, – это шестиугольная призма. Верхняя и нижняя грани кристалла представляют собой шестиугольные плоскости, называемые базальными, а направление, перпендикулярное этим плоскостям, называется осью c. Процесс начинается, когда поверхностная вода кристаллизуется вокруг неровностей в месте соприкосновения со стенкой емкости. Если ось c первого образовавшегося кристалла не вертикальна, базальная плоскость пересекает поверхность по линии, перпендикулярной оси c, и ледяные иглы стремятся распространяться по поверхности вдоль этой линии. Проще говоря, поверхность замерзает от краев к центру, оставляя лишь небольшое незамерзшее отверстие. Продолжающееся замерзание воды под поверхностным льдом медленно выталкивает оставшуюся воду вверх через это отверстие. Достигая очень холодного воздуха, край выдавленной воды замерзает, оставаясь жидким в центре. Дальнейшее замерзание снизу выталкивает больше воды вверх, край замерзает, и так далее. Если скорость выдавливания воды равна скорости замерзания на краю отверстия, этот процесс непрерывно повторяется, и последовательные слои образуют растущую вверх ледяную трубку. Это ставит вопрос о том, как естественным образом формируются ледяные шипы в водопроводной или дождевой воде. Либбрехт и Луи предположили, что в случае небольших шипов, выращенных в холодильнике, примеси будут все больше концентрироваться в небольшой незамерзшей капле в верхней части трубки, снижая скорость замерзания и, следовательно, рост трубки. Однако они считают, что в тех редких случаях, когда в естественных ледяных образованиях на открытом воздухе вырастают исключительно большие шипы, какой-то другой механизм должен удалять примеси, накапливающиеся в верхней части растущей трубки. Либо примеси попадают в карманы, которые замерзают медленнее, либо конвективный поток, который был бы незначительным в небольших искусственно выращенных шипах, заменяет воду в верхней части трубки свежей водой снизу. Результаты работы, проведенной в Калтехе, предложили эксперименты, которые могли бы пролить больше света на это явление.