Аномальность воды повлияла на вариативность подводных сосулек
Американские физики подробно изучили подводное таяние ледяных цилиндров при различных температурах воды. Оказалось, что аномальные свойства воды приводят к тому, что форма и направление подводных сосулек сложным образом зависит от температуры. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Форма рельефа или ландшафта несет в себе информацию о том, как и в каких условиях они формировались. Ее извлечение может оказаться довольно сложной задачей в силу комплексности геологических процессов. Такого рода исследования приобрели актуальность в связи с ускоряющимся таянием ледников и образованием айсбергов, формы которых требуют правильной интерпретации.
Проблема, однако, в том, что таяние, в особенности подводное, представляет собой особый тип краевой задачи, в которой положение границы раздела фаз меняется со временем (задача Стефана). Граница лед-вода отступает по нормали к поверхности, но с различной скоростью, определяемой температурными градиентами. Энергия, выделяемая при фазовом переходе, в свою очередь влияет на температурное поле. Ситуацию усложняет аномальная связь температуры воды с плотностью, которая имеет максимум при четырех градусах по Цельсию, поскольку это вызывает гравитационно-конвективные потоки. Конвективные потоки были хорошо изучены в задачах теплообмена с фиксированными границами, а вот для подвижных границ полного понимания происходящих процессов пока нет.
Чтобы закрыть этот пробел, Лейф Ристроф (Leif Ristroph) с коллегами из Нью-Йоркского университета изучали то, как происходит таяние ледяных столбцов в воде с различной температурой. Они выяснили, что температура влияет на форму и направленность острия сосулек, а при некоторых переходных условиях граница льда становится волнообразной. Авторы построили количественную модель этих процессов, которая показала хорошее согласие с экспериментом.
Для этого физики изготавливали столбики из чистого льда методом направленного замораживания и помещали их в пресную воду. Они поддерживали температуру воды постоянной в дальней от льда зоне с точностью 0,1 градуса. Управляя ей в диапазоне от 2 до 10 градусов, авторы фиксировали форму получающихся сосулек с помощью двух цифровых камер.
При достаточно низких (менее пяти градусов) или высоких (более семи градусов) температурах сохранялся плавный градиент плотности воды в промежутке между поверхностью льда и дальней зоной. В первом случае приграничная холодная вода имеет меньшую плотность и потому поднимается вверх, что приводит к большему притоку теплой воды в нижнюю часть сосульки. Из-за этого сосулька тает снизу быстрее, чем сверху. Во втором случае, наоборот, приграничная вода успевает прогреться настолько, что ее плотность увеличивается до значений, близких к максимальному, она тонет, а сосулька начинает формироваться острием вверх. В промежуточных случаях же восходящие и нисходящие потоки взаимодействуют вблизи поверхности льда с образованием вихрей. Из-за этого стенка сосульки приобретает сложную волнообразную структуру.
Чтобы количественно описать такое сложное поведение льда, физики численно решали уравнение Навье — Стокса в приближении Буссинеска с квадратичной зависимостью плотности воды от температуры совместно с уравнениями на температурное и фазовое поля. Результаты моделирования показали хорошее согласие с опытом. Для холодного и теплого случаев физики следили за зависимостью кривизны вершины от времени, которая с хорошим приближением описывалась функцией в степени −4/5. Для промежуточного случая они убедились в том, что шаг, с которым идут гребни поверхности, уменьшается с высотой по закону h−3/4, что связано с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца.
Авторы отмечают, что проделанная ими работа проливает свет на происхождение характерных зубчатых паттернов, которые ранее наблюдали у айсбергов, шельфовых ледников и буровых скважин и объясняли влиянием внешних потоков. Они также предполагают, что обнаруженные эффекты будут сохраняться и в соленой воде, однако это требует дополнительных исследований.
Ранее физики уже показывали, что форма айсбергов влияет на скорость их таяния. Оказалось, что высокие и узкие айсберги с большой подводной частью тают гораздо быстрее, чем широкие.
Марат Хамадеев
К пространственным степеням свободы добавилась частотная
Разновидность кольцевого резонатора в форме яйца позволила физикам создать быстрый каскадный лазер. А его спектральные характеристики послужили основой для создания дополнительной частотной степени свободы. Работа опубликована в журнале Science. Стремление к миниатюризации оптических систем позволяет не только получать быстрые и хорошо интегрируемые устройства, но и обнаруживать новые физические явления. Ученые уже давно пользуются лазерами, которые умещаются на интегральном чипе, и даже создают схемы для управления оптическим излучением на том же чипе. Одну из ключевых составляющих лазера — резонатор — можно реализовать разными способами. Например, в виде кольца. Кольцевые резонаторы используются не только в лазерных системах, но и для схем задержек, интерферометров, фильтров или в схеме оптического гироскопа. От размеров резонатора зависит то, какая длина волны света будет распространяться по нему наиболее эффективно. Такие длины волн называются резонансными. Команда физиков из Института квантовой электроники в Цюрихе под руководством Жерома Файста (Jérôme Faist) показала, как с помощью кольцевого резонатора с фазовой модуляцией можно создать дополнительную размерность. Они предлагают с ее помощью делать многомерные системы для исследования квантовых блужданий. Авторы использовали полупроводниковый лазер с резонатором в форме яйца и модулируемой фазой, излучающий в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Важно отметить, что процесс накачки и переизлучения происходит на межзонных переходах (такие лазеры еще называют каскадными и обычно реализуются в гетероструктурах), поэтому период накачки активной среды — между моментами непосредственно излучения — оказывается очень коротким. Это значит, что лазер может генерировать импульсы с высокой частотой. Авторы подавали на вход резонатора излучение разных длин волн и мощностей и измеряли выходной спектр. Оказалось, что поведение резонатора можно представить в виде гармонического осциллятора, который имеет ограниченное число мод (в эксперименте число мод ограничено из-за дисперсии). С увеличением номера моды осциллятора увеличивается ширина спектра этой моды, что совпадает с поведением резонатора. Инфракрасная фурье-спектроскопия показала, что в свободном состоянии лазер генерирует одномодовый сигнал и при приближении к резонансу на выходе наблюдается многомодовый режим с довольно плоской центральной частью. При этом он состояние резонанса оказывается довольно стабильным, а перемещение между разными модами как раз задает дополнительную размерность. Помимо применения разработанного лазера, авторы отмечают, что его компоненты быстрого восстановления можно использовать и в других схемах с другими длинами волн. Оказывается, что дополнительную степень свободы можно не только искусственно создать, но и научиться отражать в ней сигнал, как это ранее сделали физики из Гонконга и США.
