I picchi di ghiaccio naturali, spesso in forma di candele di ghiaccio circolari o torri di ghiaccio poliedriche (di solito triangolari), si trovano occasionalmente in contenitori di acqua piovana congelata o acqua di rubinetto. L’acqua si espande del 9% quando si congela in ghiaccio e la forma più semplice di un cristallo di ghiaccio che riflette la sua struttura interna è un prisma esagonale. Le facce superiore e inferiore del cristallo sono piani esagonali chiamati piani basali e la direzione perpendicolare ai piani basali è chiamata asse c.
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Il processo inizia quando l’acqua superficiale si nuclea intorno alle irregolarità dove incontra la parete del contenitore e congela all’interno. Se l’asse c del primo cristallo che si forma non è verticale, il piano basale interseca la superficie lungo una linea perpendicolare all’asse c e gli aghi di ghiaccio tendono a propagarsi sulla superficie lungo questa linea. Allo stesso tempo, una cortina di ghiaccio cresce verso il basso nell’acqua super raffreddata lungo il piano basale. Come la pellicola di ghiaccio cresce fino a coprire la maggior parte della superficie, i cristalli si fondono e si fissano rigidamente al loro posto e lo strato di ghiaccio continua a congelare verso il centro finché solo un piccolo buco rimane non congelato. Le cortine di cristalli tendono ad unirsi con un angolo di 60 gradi e quindi il foro è spesso triangolare, anche se sono possibili altre forme geometriche. L’espansione continua del ghiaccio verso il basso nell’acqua spinge l’acqua rimanente verso l’alto attraverso il foro e si forma un menisco convesso che si gonfia leggermente più in alto della superficie del ghiaccio. Quando i bordi del menisco si congelano, creano una piccola diga che fa salire l’acqua più in alto e, quando si espande sopra la diga di ghiaccio, i bordi si congelano di nuovo per formare un’altra diga sopra la prima. Se il tasso di espansione dell’acqua è lo stesso del tasso di congelamento al bordo del foro, allora questo processo si ripete continuamente e gli strati successivi formano un tubo di ghiaccio. La crescita del tubo continua in questo modo fino a quando la punta si chiude o fino a quando tutta l’acqua è congelata. La formazione dei picchi di ghiaccio è legata alla forma del corpo idrico, alla concentrazione di impurità dissolte, alla temperatura dell’aria e alla circolazione sopra l’acqua. I picchi che crescono da un cristallite formato sotto la superficie dell’acqua possono sporgere dallo strato di ghiaccio con un angolo ripido, piuttosto che perpendicolare ad esso.
Piccole punte di ghiaccio possono essere formate artificialmente sui cubetti di ghiaccio prodotti nei frigoriferi domestici; usando acqua distillata in vaschette di plastica per cubetti di ghiaccio. La formazione del picco è simile a quella del picco naturale in quanto l’espansione dell’acqua interna e la riduzione di volume all’interno del cubetto aumentano la pressione sull’acqua spingendola verso l’alto attraverso il foro. La crescita del tubo cessa quando la goccia in cima al tubo si congela completamente, il che avviene sostanzialmente prima che il resto dell’acqua nel cubo si congeli. Questo metodo produce piccole punte che sono solitamente rotonde o triangolari in sezione trasversale con punte affilate. Gli esperimenti che utilizzano questo metodo sono stati condotti in laboratorio, ma si è scoperto che i picchi hanno meno probabilità di formarsi nei cubetti di ghiaccio fatti con acqua non distillata, poiché le impurità nell’acqua inibiscono la formazione dei picchi. Libbrecht e Lui hanno suggerito che, nel caso dei piccoli picchi cresciuti in un frigorifero, le impurità si concentrano sempre più nella piccola goccia non congelata nella parte superiore del tubo, riducendo il tasso di congelamento e quindi la crescita del tubo. Tuttavia, essi credono che nelle rare occasioni in cui picchi eccezionalmente grandi crescono in formazioni di ghiaccio naturale, all’aperto, qualche altro meccanismo deve rimuovere le impurità che si accumulano nella parte superiore del tubo in crescita. O le impurità sono forzate in tasche che congelano più lentamente, o forse un flusso convettivo, che sarebbe insignificante nei picchi più piccoli, cresciuti artificialmente, sostituisce l’acqua in cima al tubo con acqua fresca dal basso.
I risultati del lavoro svolto al Caltech hanno suggerito esperimenti che potrebbero ulteriormente chiarire questo fenomeno.