关于冰中捕获气泡的形状

水中通常含有溶解气体，由于冻结是一个纯化过程，这些气体必须在冰形成时被排出。气泡出现在冻结前沿并随后被捕获在冰中，形成孔隙。这些孔隙的尺寸范围从微米到毫米不等，其形状奇特：绝非球形，而是拉长的，且通常前后不对称。我们表明，这些非凡的形状源于冻结、毛细作用和质量扩散之间微妙的平衡。一个非线性常微分方程足以描述这些气泡，该方程包含两个无量纲数，分别代表过饱和度和冻结速率，以及两个额外参数，代表作为初始条件的同时冻结和成核过程。我们的实验提供了大量气泡形状的图片。我们表明，所有这些气泡的圆钝尖端都能由该微分方程的渐近态很好地描述，且大多数气泡的完整形状可以通过全解进行定量匹配。该方法可用于测量冰样品的冻结条件，并设计冷冻铸造多孔材料。此外，该方程展现出一种分岔现象，解释了为何某些气泡会无限生长并形成细长的圆柱状“冰虫”，这是冰川学家所熟知的现象。