[論文レビュー] In situ visualization of tip undercooling and lamellar microstructure evolution of sea ice with manipulated orientation

Tongxin Zhang, Zhijun Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2020

Arctic and Antarctic ice dynamics参考文献 66被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、制御された一様な氷結晶配向を有する海氷において、初のイン・スイット・可視化により、先端の過冷度およびラメラ構造の進化を実時間で観察した。実時間観察を用いて、著者らは半経験的モデルを用いて、先端の過冷度を成長速度および塩分濃度と定量的に関連づけ、拡散による溶質効果および異方性動態に起因するダブルン先端や、枝細胞先端の向きの変化といった新規な現象を明らかにした。

ABSTRACT

Sea ice growth with lamellar microstructure containing brine channels has been extensively investigated. However, the quantitative growth information of sea ice remains lack due to the uncontrolled crystalline orientation in previous investigations. For the first time, we in-situ observed the unidirectional growth of lamellar sea ice with well-manipulated ice crystal orientation and visualized tip undercooling of sea ice. A semi-empirical model was proposed to quantitatively address the variation of tip undercooling with growth velocity and salinity and compared with a very recent analytical model. With the real-time observation, interesting phenomena of doublon tip in cellular ice growth and growth direction shift of ice dendritic tip were discovered for the first time, which are attributed to the complex solutal diffusion and anisotropic interface kinetics in sea ice growth. The quantitative experiment provides a clear micro scenario of sea ice growth, and will promote relevant investigations of sea ice in terms of the theoretical approach to describing the diffusion field around faceted ice dendritic tip.

研究の動機と目的

• 従来の研究で結晶配向が制御されていなかったため、海氷における定量的成長データの不足を克服すること。
• 制御された結晶配向を有する一様な海氷成長中に、微細構造の進化をリアルタイムで観察すること。
• 半経験的モデルを用いて、成長速度および塩分濃度を関数として先端の過冷度を定量化すること。
• 溶質拡散および異方性界面界面動態が、氷の枝細胞先端ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 理論的モデルにおけるファセット付き枝細胞先端周辺の拡散場を発展させるために、海氷成長の明確なミクロスケールの状況を提供すること。

提案手法

• 一様な成長を実現するための方向性凝固装置を用いて、良好に制御された結晶配向を有するラメラ構造の海氷を形成した。
• イン・スイット光学顕微鏡を用いて、成長界面および微細構造の進化をリアルタイムで可視化した。
• 高解像度画像および温度勾配解析を用いて、成長界面から直接的に先端の過冷度を測定した。
• 半経験的モデルを構築し、先端の過冷度と成長速度および塩分濃度の関係を相関づけ、最近の解析的モデルと照合した。
• 形態的不安定性、例えばダブルン先端や成長方向のずれに注目し、氷の枝細胞先端のダイナミクスを分析した。
• 観察結果と溶質拡散および異方性界面動態の理論的考察を統合し、観察された現象を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された配向を有するラメラ構造の海氷において、成長速度および塩分濃度に応じて先端の過冷度はどのように変化するか？
• RQ2 細胞状および枝細胞状の氷成長において、ダブルン先端や先端の向きのずれといった微細構造的不安定性は、どのように発生するか？
• RQ3 溶質拡散および異方性界面界面動態は、海氷における氷の枝細胞先端のダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 半経験的モデルは、制御された成長条件下における海氷の先端の過冷度をどれほど正確に記述できるか？
• RQ5 微細構造の進化をリアルタイムで観察することで、ファセット付き枝細胞先端周辺の拡散場に関する理論的モデリングにどのような知見が得られるか？

主な発見

• 本研究では、細胞状氷成長において初のダブルン先端の観察がなされ、凝固過程における複雑な界面不安定性を示した。
• 成長方向のずれが、リアルタイムで可視化された。これは、異方性界面動態および溶質拡散効果に起因するとされた。
• 半経験的モデルを用いて、先端の過冷度を成長速度および塩分濃度と定量的に関連づけ、最近の解析的モデルと良好な一致を示した。
• 観察された微細構造の進化は、海氷における枝細胞氷の形状を決定づける溶質拡散の役割を直接的な実験的証拠として示した。
• 制御された配向により、先端の過冷度の正確な測定が可能となり、定量的海氷成長研究における重要な空白を埋めた。
• 本研究の結果は、海氷成長の明確なミクロスケールの状況を確立し、将来のファセット付き枝細胞先端周辺の拡散場に関する理論的モデリングを支援する。