Forskare från Toschi-gruppen vid Eindhovens tekniska universitet tror att problemet med vattenfasförändringar med hänsyn till avvikelserna i vattentätheten är av stor betydelse för vanliga naturfenomen. Deras forskningsplan är först och främst att förstå fysikens grunder, det är, det kopplade problemet med de stabilt och instabilt skiktade skikten med hänsyn till densitetsanomalin.

Det nuvarande arbetet är bara ett språngbräde för att senare utforska mer intressanta men komplexa isbildningsproblem. I framtiden, de planerar också att undersöka issmältningen och bildandet med avseende på havsvattnet, t.ex. i experimenten att tillsätta salt till systemet och i simuleringen att lägga till ett skalärt koncentrationsfält i kombination med temperaturfältet (som är den "dubbeldiffusiva konvektionen") för att efterlikna havsvattnet.

Vätskedynamik kan förändra systemets beteenden

Landskap, som ett resultat av interaktioner mellan is och vatten i kombination med stelning/smältning, är allestädes närvarande till sin natur, ändå har de flesta tidigare studier inte beaktat den rika vätskedynamiken som induceras av vattendensitetsavvikelser under den rörliga isfronten, som drastiskt kan förändra systemets beteenden. Genom experiment, numeriska simuleringar, och teoretisk modellering, forskare undersöker vattenstelning och dess dynamiska koppling till (turbulenta) konvektiva flöden.

Vi avslöjar fyra distinkta regimer och utvecklar en teoretisk modell som kan exakt fånga istjocklek och isbildningstidskalor. Fysiska mekanismer som avslöjas från denna studie, när den tillämpas på geologiska registreringar av sjöis, kan ge en indikator på klimatförändringar. De aktuella undersökningarna ger djupare insikter i att förstå kopplingen mellan fasförändring och skiktning inom marin, geofysisk, och astrofysiska system.

Fyra distinkta flödesdynamikregimer

Konvektiva flöden i kombination med stelning eller smältning i vattenförekomster spelar en stor roll för att forma geofysiska landskap. Särskilt i förhållande till scenariot med global klimatuppvärmning, det är väsentligt att noggrant kunna kvantifiera hur vattenkroppsmiljöer dynamiskt samspelar med isbildning eller smältprocess. Tidigare studier har avslöjat den komplexa karaktären hos isbildningsprocessen, men har ofta ignorerat en av vattnets mest anmärkningsvärda egenskaper, dess densitetsavvikelse, och de inducerade skiktningsskikten interagerar och kopplar på ett komplext sätt i närvaro av turbulens.

Genom att kombinera experiment, numeriska simuleringar, och teoretisk modellering, forskare undersöker stelning av sötvatten, korrekt övervägande av fasövergång, vattendensitetsavvikelse, och verkliga fysikaliska egenskaper hos is- och vattenfaser, visat sig vara avgörande för att korrekt förutsäga de olika kvalitativa och kvantitativa beteendena. Forskarna identifierar, med ökande termisk körning, fyra distinkta flödesdynamikregimer, där olika nivåer av koppling mellan isfront och stabilt och instabilt skiktade vattenlager förekommer. Trots det komplexa samspelet mellan isfronten och flytande rörelser, anmärkningsvärt, den genomsnittliga istjockleken och tillväxthastigheten kan väl fångas med den teoretiska modellen. Det avslöjas att den termiska drivningen har stora effekter på den tidsmässiga utvecklingen av den globala isbildningsprocessen, som kan variera från några dagar till några timmar i den aktuella parameterregimen. Modellen kan appliceras på generella situationer där isbildningsdynamiken uppstår under olika termiska och geometriska förhållanden.