Les curieuses propriétés des ondulations sur les glaçons

Une caractéristique étrange des glaçons est que leurs surfaces peuvent parfois devenir ondulées, comme dans l'image ci-dessus. La longueur d'onde de ces ondulations est toujours d'environ 1 cm.

Il y a une dizaine d'années, Kazuto Ueno, maintenant à l'Université du Québec à Chicoutimi au Canada, a développé un modèle théorique pour expliquer ce phénomène.

Sa pensée va comme ça. Les glaçons sont recouverts d'une fine couche d'eau surfondue à moins de 0 degrés C et celle-ci s'écoule sous la force de gravité. Lorsque cette couche gèle, elle libère de la chaleur qui peut s'éloigner plus facilement de la partie convexe d'une ondulation que de la partie concave. Ainsi, la glace se forme préférentiellement sur les zones convexes, les rendant plus grandes.

La surface des glaçons est lisse au départ, mais toute petite perturbation de l'écoulement de l'eau sur eux crée des ondulations qui gèlent rapidement dans ce manoir. La longueur d'onde de ces ondulations est déterminée par les propriétés de transport de chaleur de l'eau s'écoulant sur la glace, qui sont à peu près constantes et expliquent ainsi la longueur d'onde constante. Voila !

Cependant, le modèle d'Ueno fait trois autres prédictions sur ces ondulations qui n'ont jamais été observées jusqu'à présent. Premièrement, que la longueur d'onde des ondulations devrait augmenter à mesure que l'angle du plan incliné diminue ; deuxièmement, la longueur d'onde ne devrait augmenter que progressivement avec une augmentation de l'approvisionnement en eau ; et enfin que les ondulations devraient se déplacer vers le haut à environ la moitié de la vitesse du taux de croissance moyen.

Aujourd'hui, lui et quelques amis révèlent les résultats de leurs efforts pour tester ces prédictions à la fois dans des simulations numériques et dans des expériences de laboratoire.

L'essentiel est qu'ils confirment les prédictions. La longueur d'onde peut changer comme il l'avait prédit et les ondulations se déplacent lentement vers le haut, même si l'eau coule vers le bas.

Il y a un corollaire intéressant à tout cela. Dans ce travail, l'eau s'écoule toujours sous la force de gravité. Mais que se passe-t-il lorsque des forces aérodynamiques entrent également en jeu ou, en d'autres termes, comment le vent affecte-t-il les ondulations ?

C'est important car cela pourrait faire la lumière sur le processus de gel des ailes et des turbines des avions, un problème important et potentiellement mortel.

Ueno et ses collègues disent qu'ils se penchent sur cette question et nous le feront savoir quand ils le découvriront.

Réf : arxiv.org/abs/1102.4890 : Vérification numérique et expérimentale d'un modèle théorique de formation d'ondulations dans la croissance de la glace sous un écoulement de film d'eau surfondu

21 mars 2011 Correction :

Kazuto Ueno écrit que la phrase suivante dans cet article ne représente pas son point de vue : lorsque cette couche gèle, elle libère de la chaleur qui peut s'éloigner plus facilement de la partie convexe d'une ondulation que de la partie concave. Ainsi, la glace se forme préférentiellement sur les zones convexes, les rendant plus grandes.

Au lieu de cela, il fournit l'explication suivante : toute partie convexe de l'interface eau-air est légèrement décalée vers le haut par rapport à celle de l'interface glace-eau, alors le dégagement de la chaleur latente est important du côté amont de toute partie convexe de la glace -interface eau. Cela signifie que la glace croît plus rapidement du côté amont que du côté aval de toute partie convexe de l'interface glace-eau. En conséquence, non seulement l'amplitude des ondulations augmente, mais les ondulations se déplacent également vers le haut avec le temps, comme observé expérimentalement.

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