Punta de hielo

Un pico de hielo es una formación de hielo , a menudo con forma de carámbano invertido, que sobresale de la superficie de una masa de agua congelada.

Se han reportado picos de hielo creados por procesos naturales en la superficie de pequeñas masas de agua congelada durante muchas décadas, aunque su aparición es bastante rara. Un mecanismo para su formación, ahora conocido como el modelo de Bally - Dorsey, fue propuesto a principios del siglo XX, pero no fue probado en el laboratorio durante muchos años. A partir de 2013En internet han aparecido numerosas fotografías de picos de hielo naturales, así como métodos para producirlos artificialmente congelando agua destilada en frigoríficos o congeladores domésticos. Esto ha permitido a un pequeño grupo de científicos poner a prueba la hipótesis en un laboratorio y, aunque los experimentos parecen confirmar la validez del modelo de Bally - Dorsey, han suscitado nuevas preguntas sobre cómo se forman los picos de hielo naturales, y aún queda mucho trabajo por hacer antes de comprender completamente el fenómeno.

Las estalactitas de hielo naturales pueden crecer adoptando formas distintas a la clásica de estalactita, y se las ha descrito como velas de hielo , torres de hielo o jarrones de hielo, ya que no existe una nomenclatura estándar para estas otras formas. Una forma particularmente inusual adopta la forma de una pirámide invertida. ^{[ 1 ]}

Aunque los picos de hielo naturales generalmente se miden en centímetros o pulgadas, un informe publicado en el boletín informativo de la Sociedad Histórica de Harbor Creek por el canadiense Gene Heuser, quien cruzó el lago Erie congelado en 1963, hablaba de "pequeños agujeros en el hielo a través de los cuales el agua que se encontraba debajo era forzada periódicamente por la presión a salir disparada hacia arriba y congelarse", produciendo "chorros congelados de cinco pies (1,5 m) de altura que le parecieron postes telefónicos erguidos por todo el lago". ^{[ 2 ]} 

Se ha informado de la formación de picos de hielo como un fenómeno natural poco común durante décadas. ^{[ 3 ]} Un modelo del mecanismo de formación fue propuesto independientemente por O. Bally y HE Dorsey a principios del siglo XX, y esta sigue siendo la explicación más aceptada del fenómeno en la actualidad. ^{[ 4 ]} Los picos tienden a formarse en recipientes como bebederos para pájaros y cuencos para mascotas, donde el agua se congela rápidamente, en lugar de en grandes masas de agua como lagos y estanques. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Se han publicado varias páginas web que muestran fotografías de formaciones de hielo inusuales y discuten el fenómeno, y se han reportado varios casos de picos de hielo formados en cubitos de hielo en refrigeradores domésticos. ^{[ 7 ] [ 8 ]} La capacidad de cultivar picos de hielo en un entorno controlado ha impulsado una pequeña cantidad de investigaciones por parte de los investigadores del Departamento de Física del Instituto Tecnológico de California, bajo la dirección de Kenneth G. Libbrecht, sobre las condiciones necesarias para la formación de los picos. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El agua se expande un 9% al congelarse. Ocasionalmente, la superficie puede congelarse por completo, excepto por un pequeño orificio; la congelación y expansión continuas del agua que se encuentra debajo del hielo superficial empujan lentamente el agua restante hacia arriba a través del orificio. Al alcanzar aire muy frío, el borde del agua extruida se congela mientras que el centro permanece líquido. Una mayor congelación en la parte inferior empuja más agua hacia arriba, el borde se congela, y así sucesivamente. Si la tasa de extrusión de agua es la misma que la tasa de congelación en el borde del orificio, este proceso se repite continuamente y las capas sucesivas forman un tubo de hielo que crece hacia arriba. Al igual que con los copos de nieve, la forma del tubo está controlada por la naturaleza molecular del agua. ^{[ 9 ]} La forma más simple de un cristal de hielo que refleja su estructura interna es un prisma hexagonal . Las caras superior e inferior del cristal son planos hexagonales llamados planos basales y la dirección perpendicular a los planos basales se llama eje c . ^{[ 9 ]}

El proceso comienza cuando el agua superficial se nuclea alrededor de irregularidades donde se encuentra con la pared del recipiente. Si el eje c del primer cristal que se forma no es vertical, el plano basal interseca la superficie a lo largo de una línea perpendicular al eje c y las agujas de hielo tienden a propagarse a través de la superficie a lo largo de esta línea. En pocas palabras, la superficie se congela desde los bordes hacia adentro, de modo que solo un pequeño orificio superficial permanece sin congelar. ^{[ 9 ]} Las cortinas de cristalitos tienden a unirse en un ángulo de 60 grados y por lo que el orificio suele ser triangular. ^{[ 7 ]} La formación de picos de hielo está relacionada con la forma del cuerpo de agua, la concentración de impurezas disueltas, la temperatura del aire y la circulación sobre el agua. ^{[ 3 ]} Los picos que crecen a partir de un cristalito formado debajo de la superficie del agua pueden proyectarse desde la capa de hielo en un ángulo pronunciado, en lugar de perpendicular a ella. ^{[ 5 ]} El proceso de picos de hielo es raro; más comúnmente la superficie se congela por completo, y a medida que el agua debajo de la superficie se congela, empuja todo el hielo superficial hacia arriba.

Se pueden formar pequeñas puntas de hielo artificialmente en cubitos de hielo producidos en refrigeradores domésticos; utilizando agua destilada en bandejas de plástico para cubitos de hielo. La formación de la punta es similar a la de la punta natural, ya que la expansión del agua interior y la reducción del volumen en el interior del cubito aumentan la presión sobre el agua, empujándola hacia arriba a través del orificio. El crecimiento del tubo cesa cuando la gota en la parte superior del tubo se congela por completo, lo que ocurre mucho antes de que se congele el resto del agua en el cubito. ^{[ 4 ]} Este método produce pequeñas puntas que suelen ser redondas o triangulares en sección transversal con puntas afiladas. Se han realizado experimentos con este método en entornos de laboratorio, pero se ha descubierto que es menos probable que se formen puntas en cubitos de hielo hechos con agua no destilada, ya que las impurezas en el agua inhiben la formación de puntas. ^{[ nb 1 ] [ 10 ]} Esto plantea la cuestión de cómo se forman las puntas de hielo naturales en el agua del grifo, el agua de lluvia u otras fuentes de agua similares, a pesar de las impurezas presentes en el agua, que deberían impedir el crecimiento del hielo. Las investigaciones de Libbrecht y Lui sugieren que, en el caso de los pequeños picos que crecen en un refrigerador, las impurezas se concentran cada vez más en la pequeña gota sin congelar en la parte superior del tubo, lo que reduce la velocidad de congelación y, por lo tanto, el crecimiento del tubo. Sin embargo, creen que en las raras ocasiones en que crecen picos excepcionalmente grandes en formaciones de hielo naturales al aire libre, algún otro mecanismo debe eliminar las impurezas que se acumulan en la parte superior del tubo en crecimiento. O bien las impurezas se ven forzadas a acumularse en cavidades que se congelan más lentamente, o quizás un flujo convectivo, que sería insignificante en los picos más pequeños cultivados artificialmente, reemplaza el agua en la parte superior del tubo con agua fresca desde abajo. ^{[ 3 ]}

Los resultados del trabajo realizado en Caltech han sugerido experimentos que podrían esclarecer aún más este fenómeno. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

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  Punta de hielo ramificada
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  Punta de pirámide invertida en un bebedero para pájaros
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  Una amplia espiga invertida
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  Se están formando múltiples picos de hielo en los tanques de agua congelados.
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  Dos zarcillos de hielo en una cubitera

• Hielo de vela
• Crecimiento de cristales
• Carámbano
• Penitente (formación de nieve)

• Bally, Óscar (1935). "Über eine eigenartige Eiskrystallbildung" . Helvetica Chimica Acta . 18 (1): 475– 476. Bibcode : 1935HChAc..18..475B . doi : 10.1002/hlca.19350180164 .
• Dorsey, Herbert Grove (1921). "Formaciones de hielo peculiares" . Physical Review . 18 (2): 162– 4. Bibcode : 1921PhRv...18...85. . doi : 10.1103/physrev.18.85 .
• Hallet, J (1959). "Crecimiento de cristales y formación de picos en la superficie del agua subenfriada" (PDF) . Journal of Glaciology . 103 (28): 698–704 . Archivado del original (PDF) el 2 de diciembre de 2012. Recuperado el 3 de julio de 2013 .
• O'Hare, Michael (2007). «Avance del congelador». Cómo fosilizar a tu hámster: y otros experimentos asombrosos para el científico aficionado . Profile Books. págs. 139 , 142. ISBN  978-1846680441.

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