Lodowe sekrety

Przyjrzyjcie się uważnie kostce lodu, a zobaczycie maleńkie bąbelki w kształcie łez, spłaszczonych jajek, a nawet wijących się robaków. Formy bąbelków z rosyjskiego jeziora Bajkał (pokazane tutaj) są jeszcze bardziej fantastyczne. Naukowcy odkryli, że osobliwe kształty bąbelków w lodzie mogą ujawnić, jak szybko woda zamarzła i ile zawiera rozpuszczonych gazów, co dostarcza kluczowych informacji dla glacjologów i inżynierów.

Podczas zamarzania wody wydziela się większość rozpuszczonych w niej gazów. Jednakże niektóre drobne pęcherzyki w pobliżu płaszczyzny zamarzania mogą zostać uwięzione w krzepnącym lodzie, gdzie nadal zwiększają swoje rozmiary. Virgile Thiévenaz, który bada mechanikę płynów w École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris, i Alban Sauret, inżynier mechanik z University of California w Santa Barbara, odtworzyli ten proces w laboratorium, aby rozdzielić czynniki wpływające na kształty i rozmiary rosnących pęcherzyków.

Jak wyjaśnił Thiévenaz podczas prezentacji na spotkaniu American Physical Society, badacze odkryli, że pęcherzyki lodu nie są kuliste, lecz wydłużają się w kierunku zamarzania, a próbka lodu zawierająca wiele małych, lekko wydłużonych pęcherzyków świadczy o dużej szybkości zamarzania i wysokim stężeniu gazu, podczas gdy próbka z mniejszą liczbą większych i dłuższych bąbelków zamarzała wolniej. Różnice te da się przewidzieć matematycznie. „Jesteśmy w stanie opisać większość pęcherzyków za pomocą tego samego równania” – mówi Thiévenaz. Jeśli znana jest szybkość zamarzania próbki, można obliczyć stężenie gazu i odwrotnie. Z równania wynika, że długie, cylindryczne pęcherzyki w lodzie niekiedy rozrastają się bez ograniczeń, osłabiając otaczającą strukturę.

Występujący w danym środowisku lód opowiada historię o jego przeszłości, lecz określenie przeszłych warunków zamarzania nie jest sprawą łatwą. Thiévenaz i Sauret twierdzą, że możliwość wnioskowania na podstawie kształtu bąbelków może okazać niezwykle cenna dla naukowców badających lód jeziorny i rdzenie lodowcowe. Erin Pettit, glacjolog z Oregon State University, całkowicie się z tym zgadza. „Zawsze zastanawiały mnie pęcherzyki-robaki w kieszeniach ponownie zamarzniętej wody w lodowcach – mówi. – To naprawdę ekscytujące poznać fizykę, która odpowiada za ich powstawanie”.

Co więcej, wielu inżynierów preferuje porowate ciała stałe w niektórych zastosowaniach ze względu na ich niewielką masę. Zdaniem badaczy, zmieniając stężenie gazu i tempo krzepnięcia, można teoretycznie determinować kształt porów w obrębie materiału, co pozwoli uzyskać mocne i lekkie metale, szkła i ceramikę.