[論文レビュー] An investigation into the interaction between waves and ice

Jean Rabault|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2018

Arctic and Antarctic ice dynamics参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本博士論文は、スバールバードでの現地調査と波槽実験を通じて波-氷相互作用を調査し、さまざまな氷種類における波の減衰、分散、および流れの生成を焦点としている。主な発見として、グリースアイスにおける指数関数的波減衰の実験的検証および波-氷相互作用によって誘発される渦度と平均流れの観察が得られ、極域海洋における氷蓋の動態に関する理解が進んだ。

ABSTRACT

This thesis is submitted in the partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the University of Oslo. It represents work that has been carried out between 2015 and 2018, under the supervision of Pr. Atle Jensen, Dr. Graig Sutherland, and Dr. Kai H. Christensen, in collaboration with Pr. Aleksey Marchenko and Pr. Brian Ward. The work presented was carried at the University of Oslo and the University Center in Svalbard. Financial support for the work was provided by the Norwegian Research Council under the Petromaks 2 scheme, through the project WOICE (Experiments on Waves in Oil and Ice), NFR Grant number 233901. The thesis consists of an introduction, and a selection of 7 publications. The introduction presents the scientific context in which the work was undertaken, the methodology used, the results obtained, as well as some personal thoughts about unsuccessful directions encountered during the project and possible future work. I certify that this dissertation is mine and that the results presented are the result of the work of our research group, to which I brought significant contribution.

研究の動機と目的

• 自然のグリースアイスおよび固定氷における波の伝播およびエネルギー散逸を支配する物理的メカニズムを理解すること。
• 現地測定および波槽実験を用いて、自然および制御された氷状態下での波減衰および分散を定量化すること。
• 市販センサおよびオープンソース電子回路を用いた新しい測定技術の開発および応用を通し、波および氷の動態を測定すること。
• 粒子追跡ビジコメトリー（PTV）を用いて、波-氷相互作用に伴う平均漂流流れおよび渦度の生成を調査すること。
• 延長不能および粘弾性氷蓋における波減衰の理論的モデルを、制御された実験によって検証すること。

提案手法

• 固定氷およびグリースアイスにおける波動の記録を目的として、慣性計測装置（IMUs）および自作波高計を用いたスバールバードでの現地測定を実施した。
• 加速度計を用いた低コストでオープンソースのセンサーシステムを導入し、グリースアイススリックにおける波減衰を測定した。
• 大型の氷の浮き塊における加速度計データに回転スペクトル解析を適用し、波の反射および進行方向の広がりを推定した。
• 延長不能および粘弾性表面被覆を用いた制御された波槽実験を実施し、波減衰および減衰特性を調査した。
• 粒子像速度計測法（PIV）を用いて、波-氷相互作用下での海底流速場および渦度生成を測定した。
• 波高計データとPIVを統合し、グリースアイス層における波減衰および流れのダイナミクスを分析し、1層モデルの理論的予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定氷における波の分散および減衰はどのように変化するのか。また、これらのプロセスを支配するメカニズムは何か。
• RQ2 市販センサおよびオープンソース電子回路を用いた測定は、自然のグリースアイス状態下での波減衰をどれほど正確に測定できるのか。
• RQ3 大型の氷の浮き塊における波の反射および進行方向の広がりはどのように現れるのか。また、加速度計データからこれらを信頼性高く推定できるか。
• RQ4 延長不能表面被覆が単色波の表面波をどれほど減衰させるのか。また、理論的予測と比較してその結果はどうなるか。
• RQ5 グリースアイス下での波の伝播に伴い、どのような海底流れ構造および渦度パターンが生成されるのか。また、これらは波エネルギー散逸とどのように関係するか。

主な発見

• グリースアイスにおける指数関数的波減衰が実験的に観測され、1層モデルに基づく理論的予測と定量的に一致した。
• 大型の氷の浮き塊における加速度計データの回転スペクトル解析により、波の反射および進行方向の広がりが成功裏に推定され、波場の特徴を遠隔的に推定可能となった。
• バレンツ海における現地測定により、固体の漂流氷における顕著な波イベントが確認され、波エネルギーの透過および構造的応答が測定された。
• 制御された波槽実験により、延長不能表面被覆がラムの理論的モデルに一致する波減衰を誘発することが確認された。
• 波槽内でのPIV測定により、グリースアイスの小片同士の衝突に起因する渦度生成が捉えられ、氷層下に平均漂流流れが生成されたことが明らかになった。
• 波高計とPIVの統合により、グリースアイスにおける波エネルギー散逸および海底流れダイナミクスの包括的把握が可能となり、波減衰に向けた簡略化された1層モデルの有効性が検証された。