冰柱融化的形状，温度来决定

　　在火山运动频繁的地区，地质学家可以透过火成岩的样态来推断过往火山活动的历史。在寒冷的极地地形中，科学家同样努力地研究冰山和冰川等地形的特征与样貌，尝试一窥地球过去的气候变化。
　　可是比起坚固的岩层，冰层会随着温度而融化或扩张，冰跟水之间的界线也不断变化，形成各种奇形怪状的冰山。关于冰的形状与温度如何互相影响，科学家有了新的见解。他们发现，将冰柱放在不同温度的水中，融化所产生的型态也不同。当周遭水温为8 C，原本的冰柱形成一根尖端朝上的冰锥；相反地，当水温接近4 C，最后出现的是倒过来的钟乳石形状。最令人惊讶的是，当水温介于中间时，冰柱表面出现了规律的波浪状起伏，仿佛精致的玻璃艺术品。
　　这个结果显示了冰和水的交界轮廓，会随着环境温度出现不同的样貌。也就是说某种程度上，从冰的形状可以推断融化当时的温度！
　　从左到右分别是冰柱在4 C、5.6 C、8 C 的水中的溶化情形。为什么冰柱在不同温度下融化会有不同形状？
　　如此奇特的现象和水的某些独特性质有关。一般物质越冷密度越高，可是水在4 C 时会有最大密度。如果在空气中放一根干冰，升华产生的冰冷二氧化碳比周围空气密度高，因此会下沉至地表再往外扩散，此时干冰周围的气流统一向下流动。
　　但冰柱在水中就不一定是如此。取决于周遭水温，刚融出的冰水可能会向下或向上流。至于实际情况是如何，就得在实验室中一探究竟。
　　这个实验讲起来简单，实际设计与进行可不容易。一般冷冻库制造的冰块含有许多气泡和杂质，为了屏除这些因素的影响，冰柱必须从其中一端开始降温凝固，才能避免气泡被困在里面。解决了冰柱的气泡，还有一个重要的问题没有回答：温度指的是哪里的温度？
　　冰柱慢慢融化产生的零度冰水会改变冰柱周围的温度，同时冰柱和水也不断在交换热能，两者从未达到热平衡。因此「周遭水温」指的是相对大的外围水体的温度。实验团队将水体放在类似冰箱的控温设备中，等水温达到均匀温度后再放入冰柱。冰柱融化过程中还是持续用设备控制外围温度，但冰柱周围的局部温度此时便出现各种可能，而此处温度的细微变化正是重头戏所在。
　　当周遭水温在7 C 左右时，刚融出的0 C 冰水密度相对较大，因此会向下沉，和干冰与二氧化碳的情况一致。这股向下的低温水流为下方的冰柱提供一层冰冷的防护罩，造成融化速率上快下慢，最后形成一根尖端向上的冰锥。
　　相反的，若周遭水温接近4 C 这个关键温度，0 C 的冰水相较之下变成较轻的角色。刚融出的冰水于是转而倾向往上流动，情况恰好与刚才颠倒，造成冰柱最后成为一根尖端朝下的钟乳石。涡流让冰柱在5.6 C 融化形成波浪形状
　　不过除了这两种情况之外，周遭水温不上不下时的物理图像更难以想像。当外围的水只有约5 C，刚融化的0 C 冰水相对较轻，理应向上流动。不过由于从冰柱到外围的温度是连续变化的，我们知道中间有某个地带会出现高密度的4 C 水，这些水会向下流动。
　　也就是说，此时密度差异引发的对流出现了两层：靠近冰柱的内层向上，外层向下。
　　照着刚才的逻辑，我们下一个要问的就是：被双层对流包围的冰柱，是哪边融化的较快呢？答案并不是很明显，不过实验中所见到的波浪形状已经透露了些许线索：这些波浪状的纹路不可能是平稳的水流造成的。
　　有某些不寻常的事情正在发生，可是流速不高的密度对流很难在实验中直接观察，于是物理学家写下了流体力学和热传导的方程式，发现很难算并丢给了电脑模拟，让它算出水流每一刻的流动方向。模拟结果发现，波浪状的凹槽是由一个个环状涡流蚀刻而成。
　　三种不同温度下的电脑模拟结果剖面图，水流速度以白色小箭头表示。从左到右的周遭水温分别为4 C、5.6 C、8 C。三个小图的左半和右半分别为冰柱融化初期和后期的情形。粉红色曲线是局部水密度的空间分布，橘色曲线是速度分布，向上为正。在（a）较冷的水温中，冰柱附近密度低，水流速度向上，（c）的情况则相反。特别的是唯独（b）图左半出现了跨越正负的速度分布，也就是靠近冰柱的内层水流往上，外层却往下。相向而行的水流引发了环状涡流，如（b）图右半所示，在冰柱上融出了凹槽。涡流其实很常见—— 克耳文–亥姆霍兹不稳定性
　　这些涡流并非凭空随机出现，而是因为两层相邻但密度与流速不同的流体很难稳定共存。
　　常见的例子是当强风拂过水面，风的气流和水面几乎平行，所以概念上平整水面的形状，是不会受到风的吹拂影响，表面的水只会跟着风一起流动。但实际上不是如此，受到风吹的水面不只会流动，表面还会出现皱褶与波澜。
　　这种因两种密度不同的流体（空气与水、不同温度的水）有速度差异，所产生的交界面不稳定的现象，被称为克耳文–亥姆霍兹不稳定性。天空中有时可见到的「风起云涌」，以及太空中一些气体行星表面的漩涡状花纹，也都是出自同样的原理。
　　土星上的涡流花纹
　　模拟动画
　　这些涡流将外围温度较高的水引入，使得该处融化较快，形成一个个的凹槽。它们像上图的白云一样，拥有相对整齐的间隔和特定的波长大小，最后使冰柱演化成特殊的波浪状型态。
　　将电脑模拟结果和实验结果比对后，物理学家证实这个物理图像的确可以准确描述冰柱的融化过程。这些发现可以帮助未来的地质学家更加了解极地地形中常见到的冰锥和波浪形状是如何形成，以及气候变迁下融化的冰山经历的气温变化。