Ледяные круги на реках: диск, который крутит сам себя

Явление выглядит нарочито. Посреди тёмной воды лежит правильный круг льда — от метра до сотни метров в поперечнике — и медленно поворачивается вокруг центра, делая полный оборот за несколько минут.

Съёмки с квадрокоптеров сделали ледяные диски регулярным сюжетом зимних новостей. Каждый раз повторяется одно и то же: сначала предположения об искусственном происхождении, затем ссылка на «загадку природы», затем ничего.

Между тем механизм известен, а в 2016 году к нему добавилась деталь, которая заметно поменяла картину.

Классическое объяснение

Первая часть механизма проста и относится к геометрии реки. В излучинах, за выступами берега и у опор мостов образуются участки обратного течения — улова. Попавший туда кусок шуги или льдины начинает вращаться вместе с водоворотом.

Вращаясь, льдина трётся краями о кромку окружающего припая и о плавающую шугу. Выступающие части стачиваются быстрее, вогнутые нарастают. Диск обтачивается, как деталь в токарном станке, и с каждым оборотом становится ровнее.

Условия нужны довольно узкие: температура около нуля, наличие шуги, медленное течение с устойчивым завихрением и отсутствие сильного ветра. Поэтому диски и редки, хотя ничего экзотического в них нет.

Что показал эксперимент

Наивная версия предполагает, что без течения вращения не будет. Физики Льежского университета под руководством Стефана Дорболо проверили это в лаборатории и получили обратный результат; работа вышла в Physical Review E в 2016 году.

Экспериментаторы клали ледяные диски в ёмкость с абсолютно неподвижной водой. Диски начинали вращаться сами.

Механизм оказался таким. Лёд тает, и талая вода имеет температуру около нуля. Вода при температуре ниже примерно четырёх градусов ведёт себя необычно: она плотнее более тёплой. Холодная талая вода стекает вниз, образуя под диском нисходящий поток. Этот поток закручивается, формируя вертикальный вихрь, и вихрь передаёт диску вращающий момент.

Направление вращения задают случайные неровности нижней поверхности, поэтому одни диски крутятся по часовой стрелке, другие против. Скорость вращения растёт с увеличением разницы температур.

Течение и водовороты, разумеется, помогают. Но выяснилось, что вращение — не следствие внешней силы, а побочный эффект самого таяния.

Диск из Уэстбрука

Самый известный случай относится к январю 2019 года. На реке Прсампскот в городе Уэстбрук, штат Мэн, появился диск диаметром около девяноста метров, который вращался несколько суток.

Город получил внезапную известность: администрация поставила веб-камеру, к реке потянулись туристы, а на льдине устроились отдыхать утки, которых с воздуха хорошо видно на снимках. Следующей зимой в том же месте образовался диск поменьше.

Сообщения о вращающихся ледяных дисках публиковались в научно-популярной прессе ещё в конце XIX века, но именно съёмка с воздуха превратила явление из курьёза в узнаваемую картинку.

Родственники, которые устроены иначе

Ледяные диски легко спутать с несколькими другими явлениями:

• блинчатый лёд — круглые лепёшки с приподнятыми краями, образуются из шуги при волнении на морях и больших озёрах; бортики возникают от постоянных ударов льдин друг о друга
• ледяные шары на берегах озёр — окатанные прибоем комки шуги, иногда правильные до неестественности
• ледяные волосы на валежнике — тонкие шелковистые нити льда, растущие из влажной древесины; долго считались загадкой, пока в 2015 году не показали, что за них отвечает конкретный гриб, живущий в древесине
• ледяные кольца Байкала — принципиально другое явление

О последних стоит сказать отдельно. На Байкале с орбиты видны тёмные кольца диаметром до нескольких километров. Они не вращаются и не плавают: это участки подтаявшего снизу льда. Причина — подлёдные антициклонические вихри, которые выносят к периферии более тёплую воду. Кольца изучают по спутниковым снимкам и подлёдным измерениям с начала 2000-х, и у них есть прикладное значение: лёд на кромке кольца тонок и опасен для транспорта.

Правильная геометрия в природе почти всегда означает не замысел, а симметричный процесс. Круг возникает там, где ничто не задаёт выделенного направления.

Ледяные диски полезны как маленький урок о пределах интуиции. Объяснение через водоворот выглядело исчерпывающим и звучало убедительно, а оказалось лишь половиной ответа. Понадобился аккуратный лабораторный опыт со стаканом воды, чтобы выяснить, что диск крутит собственная талая вода. Простое на вид явление вполне может потребовать эксперимента, и это относится далеко не только ко льду.