นิ้วน้ำแข็ง

นิ้วน้ำแข็ง หรือ น้ำแข็งย้อยทะเล หรือ นิ้วน้ำแข็งมรณะ (อังกฤษ: brinicle หรือ brine icicle หรือ icy finger of death) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นใต้ท้องทะเลภายใต้อุณหภูมิที่เย็นจัด นิ้วน้ำแข็งมีลักษณะคล้ายท่อหรือกรวยน้ำแข็ง ภายในกลวง ก่อตัวขึ้นใต้ชั้นน้ำแข็งที่ผิวน้ำทะเลและงอกลึกลงสู่พื้นทะเล ซึ่งความเร็วของการก่อตัวของนิ้วน้ำแข็งบางครั้งอาจมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เมื่อนิ้วน้ำแข็งสัมผัสพื้นทะเล ผลึกน้ำแข็งจะขยายตัวเป็นแผ่นน้ำแข็งขนาดใหญ่ที่พื้นทะเล และสามารถเป็นอันตรายต่อสัตว์ทะเลขนาดเล็กเช่น ปลาดาว และเม่นทะเลที่อาศัยที่พื้นทะเลรอบจุดสัมผัสนั้น โดยทั่วไปเกิดขึ้นในบริเวณอาร์กติกและแอนตาร์กติก

การก่อตัวของนิ้วน้ำแข็ง; (1) เมื่อน้ำแข็งตัว อนุภาคที่ไม่ใช่น้ำส่วนใหญ่จะถูกขับออกจากผลึกน้ำแข็ง ทำให้น้ำแข็งในทะเลมีรูพรุนมาก ช่องว่างระหว่างน้ำแข็งจะบรรจุด้วยน้ำเกลือเข้มข้นและน้ำเกลือ (2) น้ำโดยรอบผลึกน้ำแข็งจะกลายเป็นน้ำที่มีเกลือเข้มข้นมากขึ้น และพยายามรั่วไหลออกมา (3) น้ำที่อุดมด้วยเกลือยังคงสภาพเป็นของเหลว ด้วยความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นทำให้น้ำส่วนนี้จมลง เป็นการเริ่มต้นการสร้าง "นิ้วน้ำแข็ง" (4) ขอบด้านนอกของนิ้วน้ำแข็งเริ่มสะสมชั้นน้ำแข็งหนาขึ้นรอบ ๆ และรักษาระดับอุณหภูมิที่ต่ำนี้จากกระแสน้ำเกลือเข้มข้นที่พ่นออกมา ทำให้คงตัวและกลายเป็นรูปทรงท่อหรือนิ้ว (5) กระแสน้ำเกลือเข้มข้นเย็นจัดที่ไหลลงและท่อที่ยาวขึ้นเรื่อย ๆ จนไปถึงพื้นทะเล (6) จะยังคงสร้างน้ำแข็งอย่างต่อเนื่องรอบจุดที่สัมผัสพื้นทะเล น้ำเกลือนี้จะเดินทางไปในแนวนอนตามพื้นทะเลในทิศทางที่ลาดลง และแข็งตัวก่อเป็นแผ่นหรือสายน้ำแข็งขนาดใหญ่

การก่อตัว

โดยปกติน้ำเค็มในมหาสมุทรมีจุดเยือกแข็งต่ำกว่าน้ำจืด น้ำทะเลในบริเวณอาร์กติกและแอนตาร์กติกเท่าที่มีการสำรวจมีจุดเยือกแข็งที่อุณหภูมิ -1.9 องศาเซลเซียสหรือต่ำกว่า นิ้วน้ำแข็งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของอากาศเย็นจัด (โดยประมาณ -40 °ซ.) ทำให้น้ำเย็นและแข็งตัว การตกผลึก (การก่อตัวของน้ำแข็ง) ของน้ำเค็มที่เกิดขึ้นแตกต่างจากน้ำจืด แทนที่น้ำทะเลจะแข็งตัวเป็นก้อน แต่มักก่อตัวเป็นโครงสร้างผลึกที่มีรูพรุนแบบฟองน้ำ เป็นช่องบรรจุน้ำเกลือเข้มข้น (brine) หรือน้ำเกลือ (saline) อยู่ภายใน เนื่องจากกระบวนการก่อตัวของน้ำแข็งจากน้ำเกลือ จะขับเกลือ และไอออนอื่น ๆ ส่วนใหญ่ให้แยกออกจากผลึกของน้ำแข็งบริสุทธิ์

น้ำเกลือนี้มีความเข้นข้นของเกลือและความหนาแน่นที่มากขึ้นเรื่อย ๆ จึงถูกผลักให้สะสมรวมตัวกันและรั่วไหลผ่านรอยแตกของน้ำแข็งที่ลอยอยู่ที่ผิวน้ำทะเล ความเข้มข้นของเกลือที่มากนี้ทำให้มีจุดเยือกแข็งที่ต่ำลง คงสภาพของเหลวและไม่แข็งตัวในทันที ทั้งยังหนักกว่าน้ำทะเลโดยรอบทำให้กลุ่มน้ำเกลือเข้มข้นนี้จมตัวลง แทรกผ่านช่องรอยแยกคล้ายอุโมงค์ขนาดเล็กมากเรียก ช่องน้ำเกลือเข้มข้น (brine channel) ถูกสร้างขึ้นผ่านชั้นน้ำแข็ง การจมตัวลงของน้ำเกลือเข้มข้นที่เย็นจัดนี้คือ การเริ่มก่อตัวของนิ้วน้ำแข็ง

ในขณะเดียวกันการไหลลงของน้ำเกลือเข้มข้นที่เย็นจัดแตะกับน้ำทะเลที่ยังไม่แข็งตัวด้านล่าง จะทำให้เกิดน้ำแข็งเพิ่มขึ้นรอบ ๆ และโดยทั่วไปอนุภาคน้ำเคลื่อนตัวจากจุดที่มีความเข้มข้นของน้ำสูงไปสู่จุดที่มีความเข้มข้นต่ำ ดังนี้น้ำเกลือมีความเข้มข้นของน้ำต่ำจึงดึงดูดอนุภาคน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าเล็กน้อยโดยรอบให้เข้าหา อุณหภูมิที่เย็นกว่าของน้ำเกลือทำให้มวลน้ำที่เพิ่งดึงดูดมาใหม่แข็งตัว โดยหากน้ำเกลือในช่องมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ ท่อน้ำแข็งนี้จะก่อตัวลงสู่ด้านล่างอย่างสม่ำเสมอกันเป็นแท่งตรง อย่างไรก็ตามหากช่องน้ำเกลือมีความเข้มข้นมากกระจุกในพื้นที่เล็ก ๆ การไหลลงของน้ำเกลือเย็นจัด (ซึ่งมีเกลือมากจนไม่สามารถแข็งตัวที่จุดเยือกแข็งเดิม) จะเริ่มมีปฏิกิริยากับน้ำทะเลที่ยังไม่แข็งคล้ายการไหลเป็นกระแส (ในลักษณะเดียวกับที่อากาศร้อนจากไฟลุกแลบขึ้นเป็นเปลวแหลม) แข็งตัวเป็นเกล็ดน้ำแข็ง เป็นเส้น ๆ คล้ายกับขน และเกล็ดน้ำแข็งเหล่านี้ก่อตัวเป็นท่อ ขอบด้านนอกของนิ้วน้ำแข็งเริ่มหนาขี้นจากการแข็งตัวของน้ำโดยรอบ ซึ่งช่วยควบคุมทิศทางการกระจายตัวของน้ำเกลือและรักษาความเย็นไว้ ทำให้มีลักษณะคล้ายกับ "ปล่องภูเขาไฟ" กลับหัว ที่พ่นน้ำเกลือเข้มข้นที่เย็นจัดที่ถูกบังคับให้ไหลลงด้านล่างไปเรื่อย ๆ ระยะเวลาการก่อตัวของนิ้วน้ำแข็งขนแตะพื้นทะเลโดยประมาณ 4−12 ชั่วโมง

ขนาดของนิ้วน้ำแข็งขึ้นกับ ความลึกของน้ำ อัตราการก่อตัวของน้ำแข็งที่ผิวทะเลที่กำหนดอัตราการไหลของน้ำเกลือเข้มข้น อุณหภูมิและการไหลของน้ำทะเลโดยรอบ ความเค็มของน้ำเกลือภายในท่อนิ้วน้ำแข็งมีความแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศ อุณหภูมิยิ่งต่ำความเข้มข้นของน้ำเกลือก็จะยิ่งมากขึ้น ในเดือนมกราคม ค.ศ. 2014 ที่ชายฝั่งทะเลขาวมีการบันทึกว่า ขณะที่อุณหภูมิอากาศ −1 °ซ. ความเค็มของน้ำเกลือในนิ้วน้ำแข็งอยู่ระหว่าง 30 ถึง 35 psu ในขณะที่ความเค็มในทะเลอยู่ที่ 28 psu และเมื่ออุณหภูมิอากาศอยู่ที่ −12 °ซ. ความเค็มของน้ำเกลือจะเพิ่มขึ้นเป็นระหว่าง 120 ถึง 156 psu

อันตราย

นิ้วน้ำแข็งไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ เนื่องจากมีโอกาสน้อยมากในการเดินทางใต้แผ่นน้ำแข็งที่นิ้วน้ำแข็งก่อตัว ยกเว้นแต่นักดำน้ำที่ศึกษาวิจัยจากภาวะตัวเย็นเกิน (hypothermia) และบาดแผลจากการถูกความเย็นจัด (Frostbite) อย่างไรก็ตามสัตว์ทะเลขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ช้าและอาศัยที่พื้นทะเล เช่น ดาวทะเล และเม่นทะเลไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วพอที่จะหลบหนีน้ำเกลือเข้มข้นที่เย็นจัดได้ และอาจถูกแช่แข็ง ทำให้นิ้วน้ำแข็งได้รับฉายาว่า "นิ้วแห่งความตาย" หรือ "น้ำแข็งย้อยมรณะ" แอ่งน้ำเกลือที่เย็นจัดอาจก่อตัวขึ้นและคงอยู่ใต้บริเวณที่มีการก่อตัวของนิ้วน้ำแข็ง ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "แอ่งมรณะ" ซึ่งเป็นอันตรายถึงชีวิตกับสัตว์ทะเลขนาดเล็กที่เดินผ่านไปมา

ประวัติการวิจัย

นิ้วน้ำแข็ง เป็นที่รู้จักมาตั้งแต่คริสต์ทศวรรษ 1960 ต้นแบบกระบวนการก่อตัวได้รับการเสนอโดย ซิลเย มาร์ติน (Seelye Martin) นักสมุทรศาสตร์ชาวสหรัฐฯใน ค.ศ. 1974 และเพิ่งมีการบันทึกภาพเคลื่อนไหวของนิ้วน้ำแข็งเป็นครั้งแรกใน ค.ศ. 2011 โดยแคธรีน เจฟส์ (ผู้อำนวยการสร้าง) ฮิวจ์ มิลเลอร์ และดั๊ก แอนเดอร์สัน (ช่างภาพ) สำหรับชุดสารคดีเรื่อง Frozen Planet ของบีบีซี

ดูเพิ่ม

• น้ำแข็งย้อย (icicle)
• สนิมย้อย (rusticle)
• เข็มน้ำแข็ง (ice spike)
• น้ำแข็งทะเล (sea ice)
• หยักหิมะ (snow penitente)
• การขยายตัวของผลึก (crystal growth)

อ้างอิง

1. "Brinicle - Facts and Information". World of Phenomena (ภาษาอังกฤษ).
2. OurAmazingPlanet, Douglas Main, LiveScience. "How Eerie Sea-Ice "Brinicles" Form". Scientific American (ภาษาอังกฤษ).
3. Cartwright J HE, B Escribano, D L González, C I Sainz-Díaz & I Tuval (2013). "Brinicles as a case of inverse chemical gardens". Langmuir. 29 (25): 7655–7660. arXiv:1304.1774. doi:10.1021/la4009703. PMID 23551166. S2CID 207727184.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
4. Walker, Matt. "Brinicle 'finger of death'". www.bbc.com (ภาษาอังกฤษ).
5. Main, Douglas (2013). "How Eerie Sea Ice 'Brinicles' Form". Live Science.
6. Martin, Seelye (August 1974). "Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment". Journal of Fluid Mechanics. 63 (1): 51–79. Bibcode:1974JFM....63...51M. doi:10.1017/S0022112074001017.
7. April 2013, Douglas Main 26. "How Eerie Sea Ice 'Brinicles' Form". livescience.com (ภาษาอังกฤษ).
8. "Figure 2. Conceptual models of anchor ice formation. (a) Model of..." ResearchGate (ภาษาอังกฤษ).
9. Voronov A, Krasnova E, and D Voronov (2014). "A Simple Method to Demonstrate that Ice Formation Creates Stratification in Salt Meromictic Lakes" (PDF). EARSeL EProceedings. 1. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม (PDF) เมื่อ 2017-04-25. สืบค้นเมื่อ 2017-04-24.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
10. Martin, Seelye (August 1974). "Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment". Journal of Fluid Mechanics. 63 (1): 51–79. Bibcode:1974JFM....63...51M. doi:10.1017/S0022112074001017.
11. Jeffs, Kathryn (2011-12-28). "Anatomy of a shoot: Filming the 'finger of death'". BBC. สืบค้นเมื่อ 2021-03-21.