[논문 리뷰] In situ visualization of tip undercooling and lamellar microstructure evolution of sea ice with manipulated orientation

Tongxin Zhang, Zhijun Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 08.

Arctic and Antarctic ice dynamics참고 문헌 66인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 제어된 단방향 빙결 결정 성장 조건에서 해빙의 피크 과냉각과 레이어형 미세구조 변화를 처음으로 현장에서 관찰하였다. 실시간 관측을 통해 저자들은 반경험적 모델을 이용해 피크 과냉각을 성장 속도와 염도와의 관계로 정량적으로 연결하였으며, 용질 확산과 비등방성 운동학에 의해 유도되는 이중피크 구조와 수목형 끝부분 방향 전환과 같은 새로운 현상을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이전 연구에서 결정 성장 방향이 제어되지 않아 해빙에서의 정량적 성장 데이터 부족 문제를 해결하기 위해.
• 제어된 결정 성장 방향을 갖는 단방향 해빙 성장 중에 미세구조 변화를 실시간으로 관찰할 수 있도록 하기 위해.
• 반경험적 모델을 사용하여 성장 속도와 염도에 대한 피크 과냉각을 정량화하기 위해.
• 용질 확산과 비등방성 인터페이스 운동학이 해빙 수목형 끝부분 역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 편면 수목형 끝부분 주변의 확산 필드 이론 모델 발전을 위해 해빙 성장의 명확한 미세구조적 시나리오를 제공하기 위해.

제안 방법

• 단방향 응고 장치를 사용하여 잘 제어된 결정 성장 방향을 갖는 레이어형 해빙의 단방향 성장을 구현하였다.
• 현장에서의 광학 현미경을 활용하여 성장면과 미세구조 변화를 실시간으로 시각화하였다.
• 고해상도 영상 및 온도 기울기 분석을 통해 성장 인터페이스에서 직접적으로 피크 과냉각을 측정하였다.
• 최근의 분석 모델과의 비교를 통해 검증된 반경험적 모델을 개발하여 피크 과냉각을 성장 속도와 염도와의 관계로 연관지었다.
• 형태적 불안정성, 예를 들어 이중피크 및 성장 방향 전환을 중심으로 해빙 수목형 끝부분의 역학을 분석하였다.
• 관측 결과를 용질 확산과 비등방성 인터페이스 운동학 이론적 고려와 통합하여 관측된 현상을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어된 성장 방향 조건에서 레이어형 해빙의 피크 과냉각은 성장 속도와 염도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 세포성 및 수목형 빙결 성장 중 해빙에서 발생하는 미세구조적 불안정성, 예를 들어 이중피크 또는 끝부분 방향 전환은 무엇인가?
• RQ3 용질 확산과 비등방성 인터페이스 운동학은 해빙 수목형 끝부분의 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 반경험적 모델은 제어된 성장 조건에서 해빙의 피크 과냉각을 얼마나 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ5 미세구조 변화의 실시간 관측은 편면 수목형 끝부분 주변의 확산 필드 이론 모델링에 어떤 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• 이 연구는 처음으로 세포성 빙결 성장 중 이중피크를 관측하여 응고 중 복잡한 인터페이스 불안정성이 존재함을 시사하였다.
• 비등방성 인터페이스 운동학과 용질 확산 효과에 기인한 해빙 수목형 끝부분의 성장 방향 전환이 실시간으로 관측되었다.
• 반경험적 모델을 사용하여 피크 과냉각을 성장 속도와 염도의 함수로 정량화하였으며, 최근의 분석 모델과 양호한 일치를 보였다.
• 관측된 미세구조 변화는 해빙에서 수목형 빙결 형상의 형성에 용질 확산이 기여하는 직접적인 실험적 증거를 제공한다.
• 제어된 성장 방향 덕분에 피크 과냉각을 정밀하게 측정할 수 있었으며, 이는 해빙 성장 연구에서 오랫동안 해결되지 않은 핵심적 격차를 메웠다.
• 연구 결과는 해빙 성장의 명확한 미세구조적 시나리오를 구축하였으며, 향후 편면 수목형 끝부분 주변의 확산 필드 이론 모델링을 뒷받침한다.