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Un pico de hielo es una formación de hielo , a menudo en forma de carámbano invertido, que se proyecta hacia arriba desde la superficie de una masa de agua congelada. Los picos de hielo creados por procesos naturales en la superficie de pequeñas masas de agua congelada se han reportado durante muchas décadas, aunque su ocurrencia es bastante rara. Un mecanismo para su formación, ahora conocido como el modelo Bally-Dorsey, fue propuesto a principios del siglo XX, pero no fue probado en el laboratorio durante muchos años. En los últimos años, una serie de fotografías de picos de hielo naturales han aparecido en Internet, así como métodos para producirlos artificialmente congelando agua destilada en refrigeradores o congeladores domésticos. Esto ha permitido que un pequeño número de científicos pruebe la hipótesis en un entorno de laboratorio y, aunque los experimentos parecen confirmar la validez del modelo Bally-Dorsey, han planteado más preguntas sobre cómo se forman los picos de hielo naturales, y aún queda más trabajo por hacer antes de que se comprenda completamente el fenómeno. Los picos de hielo naturales pueden adoptar formas distintas a la clásica forma de pico y se han 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 tiene la forma de una pirámide invertida. [1]
Aunque los picos de hielo naturales se miden generalmente en pulgadas o centímetros, un informe que apareció en el Harbor Creek Historical Society Newsletter del canadiense Gene Heuser, quien caminó por el lago Erie congelado en 1963, hablaba de "pequeños agujeros en el hielo a través de los cuales el agua de abajo era periódicamente forzada bajo presión a brotar al aire y congelarse", produciendo "chorros congelados de cinco pies de altura (1,5 m) que le parecían postes de teléfono parados en posición vertical por todo el lago". [2]
Los picos de hielo se han descrito como un fenómeno natural poco frecuente durante décadas. [3] A principios del siglo XX, O. Bally y HE Dorsey propusieron de forma independiente un modelo del mecanismo de formación, que sigue siendo la explicación más aceptada del fenómeno en la actualidad. [4] Los picos tienden a formarse en recipientes como bebederos para pájaros y bebederos para mascotas, donde el agua se congela rápidamente, en lugar de en grandes masas de agua como lagos y estanques. [5] Se han publicado varias páginas web que muestran fotografías de formaciones de hielo inusuales y que analizan el fenómeno, y se han descrito varios casos de picos de hielo formados en cubitos de hielo en refrigeradores domésticos. [6] [7] La capacidad de hacer crecer picos de hielo en un entorno controlado ha impulsado un pequeño número de investigaciones por parte de los investigadores del Departamento de Física del Instituto de Tecnología de California bajo la dirección de Kenneth G. Libbrecht sobre las condiciones necesarias para que se formen los picos. [3] [4]
En ocasiones, se encuentran picos de hielo naturales, a menudo en forma de velas de hielo circulares o torres de hielo poliédricas (normalmente triangulares), en recipientes con agua de lluvia o agua del grifo congelada. [8] El agua se expande un 9 % al congelarse y convertirse en hielo, y 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 las 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 intersecta 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 queda un pequeño agujero superficial sin congelar. [9] Las cortinas de cristalitos tienden a unirse en un ángulo de 60 grados y, por lo tanto, el agujero suele ser triangular. [6] La congelación continua del agua que está debajo del hielo de la superficie empuja lentamente el agua restante hacia arriba a través del agujero. Al llegar al aire muy frío, el borde del agua extruida se congela mientras permanece líquida en el centro. Más congelación por debajo empuja más agua hacia arriba, el borde se congela, y así sucesivamente. Si la velocidad de extrusión de agua es la misma que la velocidad de congelación en el borde del agujero, entonces este proceso se repite continuamente y las capas sucesivas forman un tubo de hielo que crece hacia arriba. [9] 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 sobresalir de la capa de hielo en un ángulo pronunciado, en lugar de perpendicular a ella. [5] El proceso de picos de hielo es raro: lo más común es que la superficie se congele por completo y, a medida que el agua debajo de la superficie se congela, empuja todo el hielo de la superficie hacia arriba.
Se pueden formar pequeñas espigas de hielo artificialmente en cubitos de hielo producidos en refrigeradores domésticos; utilizando agua destilada en bandejas de cubitos de hielo de plástico. La formación de la espiga es similar a la de la espiga que se produce de forma natural en el sentido de que la expansión del agua interior y la reducción del volumen en el interior del cubito aumentan la presión sobre el agua que la empuja 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 sustancialmente antes de que se congele el resto del agua en el cubito. [4] Este método produce pequeñas espigas que suelen ser redondas o triangulares en sección transversal con puntas afiladas. Se han llevado a cabo experimentos con este método en entornos de laboratorio, pero se ha descubierto que es menos probable que se formen espigas en cubitos de hielo hechos con agua no destilada, ya que las impurezas en el agua inhiben la formación de espigas. [nb 1] [10] Esto plantea la cuestión de cómo se forman naturalmente los picos de hielo en el agua del grifo o de la lluvia y, Libbrecht y Lui han sugerido que, en el caso de los picos pequeños cultivados en un refrigerador, las impurezas se concentrarán cada vez más en la pequeña gota no congelada en la parte superior del tubo, lo que reducirá 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 son forzadas a entrar en bolsas que se congelan más lentamente, o tal vez 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 dilucidar aún más este fenómeno. [3] [4]
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