211service.com
De mærkelige egenskaber ved krusninger på istapper
Et mærkeligt træk ved istapper er, at deres overflader nogle gange kan blive kruset, som på billedet ovenfor. Bølgelængden af disse krusninger er altid omkring 1 cm.
For omkring ti år siden udviklede Kazuto Ueno, nu ved Université du Québec á Chicoutimi i Canada, en teoretisk model til at forklare dette fænomen.
Hans tankegang går sådan her. Istapper er dækket af et tyndt lag vand, der er underkølet til mindre end 0 grader C, og dette flyder under tyngdekraften. Når dette lag fryser, frigiver det varme, som lettere kan stråle væk fra den konvekse del af en krusning end den konkave del. Så der dannes fortrinsvis is over de konvekse områder, hvilket gør dem større.
Overfladen af istapper starter glat, men enhver lille forstyrrelse i vandstrømmen over dem skaber krusninger, som hurtigt fryser i denne herregård. Bølgelængden af disse krusninger bestemmes af varmetransportegenskaberne for vand, der strømmer over is, som er nogenlunde konstante og derfor forklarer den konstante bølgelængde. Voila!
Uenos model giver dog tre andre forudsigelser om disse krusninger, som aldrig er blevet observeret før nu. For det første, at bølgelængden af krusninger skal stige, når vinklen på det skrå plan aftager; for det andet at bølgelængden kun bør øges gradvist med en stigning i vandforsyningen; og endelig at krusningerne skulle bevæge sig opad med cirka halvdelen af hastigheden af den gennemsnitlige væksthastighed.
I dag afslører han og et par venner resultaterne af deres bestræbelser på at teste disse forudsigelser både i numeriske simuleringer og i laboratorieforsøg.
Den nederste linje er, at de bekræfter forudsigelserne. Bølgelængden kan ændre sig på den måde, han forudsagde, og krusninger bevæger sig langsomt opad, selvom vandet strømmer ned.
Der er en interessant konsekvens af alt dette. I dette arbejde flyder vandet altid under tyngdekraften. Men hvad sker der, når også aerodynamiske kræfter spiller ind, eller med andre ord, hvordan påvirker vinden krusningerne?
Det er vigtigt, fordi det kan kaste lys over processen med at fryse på flyvinger og turbiner, et betydeligt og potentielt livstruende problem.
Ueno og co siger, at de undersøger netop dette spørgsmål og vil give os besked, når de finder ud af det.
Ref: arxiv.org/abs/1102.4890 : Numerisk og eksperimentel verifikation af en teoretisk model for krusningsdannelse i isvækst under underafkølet vandfilmstrøm
21. marts 2011 Rettelse:
Kazuto Ueno skriver, at følgende sætning i dette indlæg ikke repræsenterer hans opfattelse: Når dette lag fryser, frigiver det varme, som lettere kan stråle væk fra den konvekse del af en krusning end den konkave del. Så der dannes fortrinsvis is over de konvekse områder, hvilket gør dem større.
I stedet giver han følgende forklaring: enhver konveks del af vand-luft-grænsefladen er let forskudt opad mod is-vand-grænsefladen, så frigivelsen af den latente varme er stor på opstrømssiden af enhver konveks del af isen -vandgrænseflade. Det betyder, at is vokser hurtigere på opstrømssiden end på nedstrømssiden af nogen konveks del af is-vand-grænsefladen. Som et resultat vokser ikke kun amplituden af krusningerne, men krusningerne bevæger sig også opad med tiden som eksperimentelt observeret.