Los investigadores del grupo Toschi de la Universidad Tecnológica de Eindhoven creen que el problema del cambio de fase del agua al considerar la anomalía de la densidad del agua es de gran importancia en relación con los fenómenos naturales comunes. Su plan de investigación es, en primer lugar, comprender los fundamentos de la física, es decir, el problema acoplado de las capas estratificadas estable e inestable con la consideración de la anomalía de densidad.

El trabajo actual es solo el trampolín para explorar más adelante problemas de formación de hielo más interesantes pero complejos. En el futuro, también planean investigar el derretimiento y la formación del hielo con respecto al agua de mar, p.ej. en los experimentos añadiendo sal al sistema y en la simulación añadiendo un campo escalar de concentración junto con el campo de temperatura (que es la "convección de doble difusión") para imitar el agua de mar.

La dinámica de fluidos puede cambiar el comportamiento del sistema

Paisajes resultante de las interacciones hielo-agua junto con la solidificación / fusión, son omnipresentes por naturaleza, Sin embargo, la mayoría de los estudios anteriores no han considerado la rica dinámica de fluidos inducida por la anomalía de la densidad del agua debajo del frente de hielo en movimiento. que puede cambiar drásticamente el comportamiento del sistema. Por experimentos, simulaciones numéricas, y modelado teórico, Los investigadores investigan la solidificación del agua y su acoplamiento dinámico con los flujos convectivos (turbulentos).

Revelamos cuatro regímenes distintos y desarrollamos un modelo teórico capaz de capturar con precisión el espesor del hielo y las escalas de tiempo de formación de hielo. Mecanismos físicos revelados por este estudio, cuando se aplica a registros geológicos del hielo del lago, puede proporcionar un indicador del cambio climático. Las investigaciones actuales ofrecen una visión más profunda de la comprensión del acoplamiento entre el cambio de fase y la estratificación en marinos, geofísico, y sistemas astrofísicos.

Cuatro regímenes distintos de dinámica de flujo

Los flujos convectivos junto con la solidificación o el derretimiento en los cuerpos de agua juegan un papel importante en la configuración de los paisajes geofísicos. Particularmente en relación con el escenario de calentamiento climático global, es esencial poder cuantificar con precisión cómo los entornos de las masas de agua interactúan dinámicamente con la formación de hielo o el proceso de fusión. Estudios anteriores han revelado la naturaleza compleja del proceso de formación de hielo, pero a menudo han ignorado una de las particularidades más notables del agua, su anomalía de densidad, y las capas de estratificación inducida interactuando y acoplando de manera compleja en presencia de turbulencia.

Combinando experimentos, simulaciones numéricas, y modelado teórico, los investigadores investigan la solidificación del agua dulce, considerando adecuadamente la transición de fase, anomalía de la densidad del agua, y propiedades físicas reales de las fases de hielo y agua, demostrado ser fundamental para predecir correctamente los diferentes comportamientos cualitativos y cuantitativos. Los investigadores identifican, con conducción térmica creciente, cuatro regímenes distintos de dinámica de flujo, donde ocurren diferentes niveles de acoplamiento entre el frente de hielo y las capas de agua estratificadas de manera estable e inestable. A pesar de la compleja interacción entre el frente de hielo y los movimientos de los fluidos, notablemente, el espesor medio del hielo y la tasa de crecimiento se pueden capturar bien con el modelo teórico. Se revela que la conducción térmica tiene efectos importantes en la evolución temporal del proceso de formación de hielo global, que puede variar de unos días a unas horas en el régimen de parámetros actual. El modelo se puede aplicar a situaciones generales donde la dinámica de la formación de hielo ocurre bajo diferentes condiciones térmicas y geométricas.