Pesquisadores do grupo Toschi da Universidade de Tecnologia de Eindhoven acham que o problema da mudança de fase da água ao considerar a anomalia da densidade da água é de grande importância em relação aos fenômenos naturais comuns. Seu plano de pesquisa é, em primeiro lugar, compreender os fundamentos da física, isso é, o problema acoplado das camadas estratificadas de forma estável e instável com a consideração da anomalia de densidade.

O trabalho atual é apenas o trampolim para explorar mais tarde problemas de formação de gelo mais interessantes, porém complexos. No futuro, eles também planejam investigar o derretimento e a formação do gelo em relação à água do mar, por exemplo. nos experimentos adicionando sal ao sistema e na simulação adicionando campo escalar de concentração acoplado ao campo de temperatura (que é a 'convecção difusiva dupla') para imitar a água do mar.

A dinâmica dos fluidos pode mudar o comportamento do sistema

Paisagens, resultante de interações gelo-água juntamente com solidificação / derretimento, são onipresentes na natureza, no entanto, a maioria dos estudos anteriores não considerou a rica dinâmica de fluidos induzida pela anomalia da densidade da água sob a frente de gelo em movimento, que pode mudar drasticamente o comportamento do sistema. Por experimentos, simulações numéricas, e modelagem teórica, os pesquisadores investigam a solidificação da água e seu acoplamento dinâmico com fluxos convectivos (turbulentos).

Revelamos quatro regimes distintos e desenvolvemos um modelo teórico capaz de capturar com precisão a espessura do gelo e escalas de tempo de congelamento. Mecanismos físicos revelados a partir deste estudo, quando aplicado a registros geológicos de gelo do lago, pode fornecer um indicador das mudanças climáticas. As investigações atuais oferecem uma visão mais profunda sobre a compreensão do acoplamento entre a mudança de fase e a estratificação na marinha, geofísico, e sistemas astrofísicos.

Quatro regimes distintos de dinâmica de fluxo

Os fluxos convectivos, juntamente com a solidificação ou derretimento em corpos d'água, desempenham um papel importante na formação de paisagens geofísicas. Principalmente em relação ao cenário de aquecimento global, é essencial ser capaz de quantificar com precisão como os ambientes de corpos d'água interagem dinamicamente com a formação de gelo ou o processo de derretimento. Estudos anteriores revelaram a natureza complexa do processo de congelamento, mas muitas vezes ignorou uma das particularidades mais notáveis ​​da água, sua anomalia de densidade, e as camadas de estratificação induzida interagindo e se acoplando de forma complexa na presença de turbulência.

Ao combinar experimentos, simulações numéricas, e modelagem teórica, pesquisadores investigam solidificação de água doce, considerando adequadamente a transição de fase, anomalia de densidade da água, e propriedades físicas reais das fases de gelo e água, mostrou-se essencial para prever corretamente os diferentes comportamentos qualitativos e quantitativos. Os pesquisadores identificam, com o aumento da condução térmica, quatro regimes distintos de dinâmica de fluxo, onde ocorrem diferentes níveis de acoplamento entre a frente de gelo e as camadas de água estratificadas de forma estável e instável. Apesar da complexa interação entre a frente de gelo e os movimentos fluidos, notavelmente, a espessura média do gelo e a taxa de crescimento podem ser bem capturadas com o modelo teórico. É revelado que a condução térmica tem efeitos importantes na evolução temporal do processo de congelamento global, que pode variar de alguns dias a algumas horas no regime de parâmetros atual. O modelo pode ser aplicado a situações gerais onde a dinâmica do gelo ocorre sob diferentes condições térmicas e geométricas.