Las esculturas de icebergs festoneados se producen por la rareza del agua

Se podría pensar que entender algo tan común como el derretimiento del hielo sería relativamente fácil. Pero el agua es una sustancia peculiar, y eso hace que sea muy difícil predecir cómo se derretirá el hielo. Gran parte de esa imprevisibilidad se ha atribuido al agua que fluye alrededor del hielo (como se ve en las corrientes marinas que fluyen alrededor de los icebergs, por ejemplo).

Aun así, es necesario comprender el deshielo para predecir mejor cosas como la ruptura del hielo marino. Así que un grupo de físicos ha puesto la dinámica de fluidos al máximo y ha demostrado que el hielo que se derrite es raro, incluso cuando no hay corrientes.

Sólo lo hace para molestar

Las reglas que rigen el Universo son relativamente sencillas. Sin embargo, para asegurar que el Universo sea lo suficientemente enloquecedor, esas reglas simples fueron creadas para producir la dinámica de fluidos y el agua. La dinámica de fluidos es el estudio de cómo fluyen los fluidos.

Un curso típico de dinámica de fluidos es un ejercicio de humildad. La principal conclusión es que todo lo que has aprendido sobre la resolución de ecuaciones es el equivalente a hacer carpintería con un martillo de chocolate en el trópico. Cuando consigues someter las ecuaciones a tu voluntad y meterlas en un ordenador, obtienes los resultados más asombrosamente bellos, y lo que vamos a ver no es diferente.

El agua, como cualquier otro fluido, se vuelve más densa a medida que se enfría, excepto en los últimos grados (4°C es cuando el agua alcanza su máxima densidad), donde se vuelve menos densa hasta que se congela. Por consiguiente, el agua es más densa que el hielo, y tenemos hermosos témpanos flotantes.

Este extraño comportamiento da lugar a extrañas situaciones en las que el agua fría primero se hunde pero luego -porque se enfría por debajo de los 4°C- comienza a subir de nuevo debido a la disminución de la densidad. Este proceso puede llevar a que el agua fría surja en un flujo convectivo invertido. Pero en otros lugares, el agua caliente aflora a la superficie, también debido a flujos convectivos. Si la dinámica de los fluidos secos no le deja perplejo, añada agua.

Así que un valiente grupo de investigadores se propuso entender las esculturas de hielo naturales que se esconden bajo los icebergs.

Esculpir el hielo

Para entender cómo se funde el hielo, los investigadores combinaron observaciones experimentales y modelización. Colocaron grandes cilindros de hielo transparente a 0°C en un tanque de agua a una temperatura fija. A continuación, observaron cómo se derretía.

Para entender las formas que se forman, hay que tener en cuenta el gradiente de temperatura entre el agua y el hielo. Cuando la temperatura del agua es relativamente alta (8°C), el agua alcanza su máxima densidad a pocos milímetros de la superficie del hielo. El agua pesada cae, arrastrando parte del agua circundante con ella. El proceso crea un flujo arrastrado hacia abajo a lo largo de la superficie del cilindro de hielo, lo que lleva a una punta en forma de aguja que cuelga en el hielo.

Por otro lado, si el agua está bastante fría (menos de 4 °C), el agua de la superficie del hielo es menos densa que la del entorno y fluye hacia arriba, creando una aguja idéntica que apunta hacia arriba. Los resultados numéricos y experimentales de los investigadores muestran que estas agujas pueden ser extremadamente afiladas, llegando al límite de las mediciones. La concordancia entre el experimento y el cálculo es sorprendente.

Ni caliente ni frío

En el caso intermedio es donde las cosas se ponen interesantes. Cerca de la superficie del hielo, el agua es menos densa y trata de subir. Más lejos de la superficie, el agua es más densa y trata de descender. Esto da lugar a una especie de flujo circulatorio. Normalmente, este tipo de flujo es inestable y se rompe. Sin embargo, la viscosidad (lo pegajoso que es un fluido) del agua amortigua la inestabilidad. El resultado final es que el flujo circulante se estabiliza en un diámetro que depende de la temperatura local.

Gracias a la estabilización, el flujo de agua excava un patrón festoneado en el hielo, con festones anchos cerca de la parte superior y festones estrechos y profundos cerca de la parte inferior. Cada patrón es único, pero todos tienen las mismas formas características, y se producen independientemente de cualquier flujo de agua externo o convección global.

Y son hermosas.

Physical Review Letters, 2022, 10.1103/PhysRevLett.128.044502.

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