Onderzoekers van de Toschi-groep van de Technische Universiteit Eindhoven denken dat het probleem van de waterfaseverandering bij het beschouwen van de anomalie van de waterdichtheid van groot belang is met betrekking tot veelvoorkomende natuurlijke fenomenen. Hun onderzoeksplan is in de eerste plaats om de fysica-fundamentals te begrijpen, dat is, het gekoppelde probleem van de stabiele en onstabiele gelaagde lagen met het beschouwen van de dichtheidsanomalie.

Het huidige werk is slechts de opstap om later interessantere maar complexere problemen met ijsvorming te onderzoeken. In de toekomst, ze zijn ook van plan om het smelten en vormen van ijs met betrekking tot het zeewater te onderzoeken, bijv. in de experimenten het toevoegen van zout aan het systeem en in de simulatie het toevoegen van een scalair concentratieveld in combinatie met het temperatuurveld (dat is de 'dubbel-diffusieve convectie') om het zeewater na te bootsen.

Vloeistofdynamiek kan systeemgedrag veranderen

landschappen, als gevolg van ijs-water interacties in combinatie met stollen/smelten, zijn alomtegenwoordig in de natuur, toch hebben de meeste eerdere studies geen rekening gehouden met de rijke vloeistofdynamica die wordt veroorzaakt door de anomalie van de waterdichtheid onder het bewegende ijsfront, die het systeemgedrag drastisch kunnen veranderen. Door experimenten, numerieke simulaties, en theoretische modellering, onderzoekers onderzoeken waterstolling en de dynamische koppeling ervan met (turbulente) convectieve stromingen.

We onthullen vier verschillende regimes en ontwikkelen een theoretisch model dat in staat is om de ijsdikte en ijstijdschalen nauwkeurig vast te leggen. Fysieke mechanismen onthuld uit deze studie, wanneer toegepast op geologische opnamen van meerijs, kan een indicator zijn voor klimaatverandering. De huidige onderzoeken bieden een dieper inzicht in het begrijpen van de koppeling tussen faseverandering en stratificatie in mariene, geofysisch, en astrofysische systemen.

Vier verschillende stroomdynamiekregimes

Convectieve stromingen in combinatie met stolling of smelten in waterlichamen spelen een belangrijke rol bij het vormgeven van geofysische landschappen. Vooral met betrekking tot het scenario van de opwarming van de aarde, het is essentieel om nauwkeurig te kunnen kwantificeren hoe omgevingen van waterlichamen dynamisch interageren met ijsvorming of smeltprocessen. Eerdere studies hebben de complexe aard van het glazuurproces aan het licht gebracht, maar hebben vaak een van de meest opmerkelijke bijzonderheden van water genegeerd, zijn dichtheidsanomalie, en de geïnduceerde stratificatielagen interageren en koppelen op een complexe manier in de aanwezigheid van turbulentie.

Door experimenten te combineren, numerieke simulaties, en theoretische modellering, onderzoekers onderzoeken stolling van zoet water, goed rekening houden met faseovergang, anomalie waterdichtheid, en echte fysische eigenschappen van ijs- en waterfasen, essentieel gebleken voor het correct voorspellen van de verschillende kwalitatieve en kwantitatieve gedragingen. De onderzoekers identificeren, met toenemend thermisch rijden, vier verschillende stroom-dynamiek regimes, waar verschillende niveaus van koppeling tussen ijsfront en stabiel en onstabiel gelaagde waterlagen voorkomen. Ondanks de complexe interactie tussen het ijsfront en vloeiende bewegingen, opmerkelijk, de gemiddelde ijsdikte en groeisnelheid zijn goed in te schatten met het theoretische model. Het is gebleken dat de thermische aandrijving grote effecten heeft op de temporele evolutie van het wereldwijde ijsvormingsproces, die in het huidige parameterregime kan variëren van enkele dagen tot enkele uren. Het model kan worden toegepast op algemene situaties waarin de ijsvormingsdynamiek plaatsvindt onder verschillende thermische en geometrische omstandigheden.