Замерзание соленой воды демонстрирует процессы миграции рассола и образование льда

Новое исследование демонстрирует, как ведет себя рассол при замерзании: от стремительного формирования кристаллов до медленной диффузии и образования прозрачного льда.Опыты продемонстрировали, что замерзание соленой воды происходит гораздо сложнее, чем это может показаться.Источник: Unsplash

Команда ученых представила уникальные результаты, полученные с помощью микрокомпьютерной томографии, которые впервые в четырех измерениях (3D + время) дают возможность детально наблюдать, как соленая вода преобразуется в лед и как при этом перемещается раствор соли. Результаты исследования опубликованы в Journal of Fluid Mechanics.

Эксперимент заключался в контролируемом замораживании узкой трубки с соленой водой. Отталкивание соли и рост кристаллов льда оказались значительно более сложными и динамичными процессами, чем предполагалось ранее. При образовании первых кристаллов льда рассол (жидкая соленая фаза) оказался захваченным в пористой структуре, которая быстро реорганизовывалась, формируя полосы и другие узоры в зависимости от температурного градиента и условий эксперимента.

Ученые выделили три основных этапа в процессе замерзания:

Нуклеация и стремительный рост льда (секунды): кристаллы формируются быстро, а тепло и соль еще не успевают значительно переместиться;
Общее тепловое равновесие: рассол вытесняется за счет расширения при замерзании и конвективных движений, особенно при направленном замораживании;
Медленная диффузия: доминирует диффузионное перемещение рассола, который постепенно перемещается к более теплому участку, а лед возле холодного слоя становится чище.

В ходе эксперимента были зафиксированы различные морфологические формы рассола: полосы, столбики, «юбки» вокруг льда и отдельные карманы рассола, медленно движущиеся внутри структуры. Скорость миграции этих форм следовала определенному порядку: сначала наклонные полосы, затем вертикальные столбики, далее изолированные карманы и, наконец, граница чистого льда.

Экспериментальное замораживание соленой водыИсточник: https://phys.org/

Значение результатов исследования

Полученные данные свидетельствуют о том, что процесс удаления соли из льда является сложным и неоднородным. Он включает в себя быстрые перестройки, конвекцию и медленную диффузию, оставляя позади устойчивые карманы солевого раствора. Эти выводы помогут глубже понять, почему природный морской лед становится относительно малосоленым, а также могут быть использованы в опреснении морской воды, материаловедении и криогенных технологиях — как бытовых (быстрая заморозка продуктов), так и научных (криоконсервация материалов) и промышленных.

Исследователи подчеркнули, что наблюдаемая динамика солевого рассола открывает новые горизонты в понимании процессов замерзания, которые обладают гораздо более богатой физикой, чем считалось ранее.

Микроскопическое исключение соли не является ни однородным, ни монотонным; оно проходит через быстрые перестройки, конвективные движения и медленный диффузионный перенос

Фото: hi-tech.mail.ru