在火山運動頻繁的地區，地質學家可以透過火成岩的樣態來推斷過往火山活動的歷史。在寒冷的極地地形中，科學家同樣努力地研究冰山和冰川等地形的特徵與樣貌，嘗試一窺地球過去的氣候變化。
可是比起堅固的岩層，冰層會隨著溫度而融化或擴張，冰跟水之間的界線也不斷變化，形成各種奇形怪狀的冰山。關於冰的形狀與溫度如何互相影響，科學家有了新的見解。
他們發現，將冰柱放在不同溫度的水中，融化所產生的型態也不同。當周遭水溫為 8°C，原本的冰柱形成一根尖端朝上的冰錐；相反地，當水溫接近 4°C，最後出現的是倒過來的鐘乳石形狀。最令人驚訝的是，當水溫介於中間時，冰柱表面出現了規律的波浪狀起伏，彷彿精緻的玻璃藝術品。
這個結果顯示了冰和水的交界輪廓，會隨著環境溫度出現不同的樣貌。也就是說某種程度上，從冰的形狀可以推斷融化當時的溫度！
為什麼冰柱在不同溫度下融化會有不同形狀？
如此奇特的現象和水的某些獨特性質有關。一般物質越冷密度越高，可是水在 4°C 時會有最大密度。如果在空氣中放一根乾冰，昇華產生的冰冷二氧化碳比周圍空氣密度高，因此會下沉至地表再往外擴散，此時乾冰周圍的氣流統一向下流動。
但冰柱在水中就不一定是如此。取決於周遭水溫，剛融出的冰水可能會向下或向上流。至於實際情況是如何，就得在實驗室中一探究竟。
這個實驗講起來簡單，實際設計與進行可不容易。一般冷凍庫製造的冰塊含有許多氣泡和雜質，為了屏除這些因素的影響，冰柱必須從其中一端開始降溫凝固，才能避免氣泡被困在裡面。解決了冰柱的氣泡，還有一個重要的問題沒有回答：溫度指的是哪裡的溫度？
冰柱慢慢融化產生的零度冰水會改變冰柱周圍的溫度，同時冰柱和水也不斷在交換熱能，兩者從未達到熱平衡。因此「周遭水溫」指的是相對大的外圍水體的溫度。實驗團隊將水體放在類似冰箱的控溫設備中，等水溫達到均勻溫度後再放入冰柱。冰柱融化過程中還是持續用設備控制外圍溫度，但冰柱周圍的局部溫度此時便出現各種可能，而此處溫度的細微變化正是重頭戲所在。
當周遭水溫在 7°C 左右時，剛融出的 0°C 冰水密度相對較大，因此會向下沉，和乾冰與二氧化碳的情況一致。這股向下的低溫水流為下方的冰柱提供一層冰冷的防護罩，造成融化速率上快下慢，最後形成一根尖端向上的冰錐。
相反的，若周遭水溫接近 4°C 這個關鍵溫度，0°C 的冰水相較之下變成較輕的角色。剛融出的冰水於是轉而傾向往上流動，情況恰好與剛才顛倒，造成冰柱最後成為一根尖端朝下的鐘乳石。
渦流讓冰柱在 5.6°C 融化形成波浪形狀
不過除了這兩種情況之外，周遭水溫不上不下時的物理圖像更難以想像。當外圍的水只有約 5°C，剛融化的 0°C 冰水相對較輕，理應向上流動。不過由於從冰柱到外圍的溫度是連續變化的，我們知道中間有某個地帶會出現高密度的 4°C 水，這些水會向下流動。
也就是說，此時密度差異引發的對流出現了兩層：靠近冰柱的內層向上，外層向下。
照著剛才的邏輯，我們下一個要問的就是：被雙層對流包圍的冰柱，是哪邊融化的較快呢？答案並不是很明顯，不過實驗中所見到的波浪形狀已經透露了些許線索：這些波浪狀的紋路不可能是平穩的水流造成的。
有某些不尋常的事情正在發生，可是流速不高的密度對流很難在實驗中直接觀察，於是物理學家寫下了流體力學和熱傳導的方程式，發現很難算並丟給了電腦模擬，讓它算出水流每一刻的流動方向。模擬結果發現，波浪狀的凹槽是由一個個環狀渦流蝕刻而成。
渦流其實很常見—— 克耳文–亥姆霍茲不穩定性
這些渦流並非憑空隨機出現，而是因為兩層相鄰但密度與流速不同的流體很難穩定共存。
常見的例子是當強風拂過水面，風的氣流和水面幾乎平行，所以概念上平整水面的形狀，是不會受到風的吹拂影響，表面的水只會跟著風一起流動。但實際上不是如此，受到風吹的水面不只會流動，表面還會出現皺褶與波瀾。
這種因兩種密度不同的流體（空氣與水、不同溫度的水）有速度差異，所產生的交界面不穩定的現象，被稱為克耳文–亥姆霍茲不穩定性。天空中有時可見到的「風起雲湧」，以及太空中一些氣體行星表面的漩渦狀花紋，也都是出自同樣的原理。
在冰柱融化的情況中，兩層密度不同，流向相反的水流勢力在冰柱外圍對抗。但層與層之間的整齊邊界無法長久維持，而是會形成環狀的渦流。
這些渦流將外圍溫度較高的水引入，使得該處融化較快，形成一個個的凹槽。它們像上圖的白雲一樣，擁有相對整齊的間隔和特定的波長大小，最後使冰柱演化成特殊的波浪狀型態。
將電腦模擬結果和實驗結果比對後，物理學家證實這個物理圖像的確可以準確描述冰柱的融化過程。這些發現可以幫助未來的地質學家更加了解極地地形中常見到的冰錐和波浪形狀是如何形成，以及氣候變遷下融化的冰山經歷的氣溫變化。
鄭國威 Portnoy
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