[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次实现了在控制单向冰晶取向的海冰中，对尖端过冷度及层状微结构演化的原位可视化。通过实现实时观测，作者利用半经验模型定量关联了尖端过冷度与生长速度及盐度，揭示了诸如双生尖端和溶质扩散与各向异性动力学导致的枝晶尖端方向偏移等新现象。

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.

研究动机与目标

• 为克服以往研究中因晶粒取向不可控而导致的海冰生长定量数据缺乏问题。
• 实现实时观测，记录单向生长过程中控制晶粒取向的海冰微结构演化。
• 利用半经验模型，定量描述尖端过冷度与生长速度及盐度的关系。
• 研究溶质扩散与各向异性界面动力学对海冰枝晶尖端动力学的影响。
• 为推进面状枝晶尖端周围扩散场理论模型的发展，提供清晰的微观尺度海冰生长情景。

提出的方法

• 采用定向凝固装置，实现具有高度控制晶粒取向的层状海冰单向生长。
• 利用原位光学显微技术，实现实时观测生长界面与微结构演化。
• 通过高分辨率成像与温度梯度分析，直接测量界面处的尖端过冷度。
• 建立半经验模型，关联尖端过冷度与生长速度及盐度，并与近期解析模型进行验证。
• 分析冰枝晶尖端的动力学，重点关注形态不稳定性现象，如双生尖端与生长方向偏移。
• 将观测结果与溶质扩散及各向异性界面动力学的理论分析相结合，解释所观测到的现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有控制取向的层状海冰中，尖端过冷度如何随生长速度与盐度变化？
• RQ2 在海冰的胞状与枝晶状冰生长过程中，是否会出现如双生尖端或尖端方向偏移等微结构不稳定性？
• RQ3 溶质扩散与各向异性界面动力学如何影响海冰中冰枝晶尖端的动力学行为？
• RQ4 在受控生长条件下，半经验模型在多大程度上能准确描述海冰中的尖端过冷度？
• RQ5 对微结构演化过程的实时观测，为面状枝晶尖端周围扩散场的理论建模提供了哪些新见解？

主要发现

• 本研究首次观测到胞状冰生长中的双生尖端，表明凝固过程中存在复杂的界面不稳定性。
• 实时可视化了冰枝晶尖端的生长方向偏移，归因于各向异性界面动力学与溶质扩散效应。
• 通过半经验模型定量关联了尖端过冷度与生长速度及盐度，结果与近期解析模型具有良好一致性。
• 所观测到的微结构演化为溶质扩散在塑造海冰中枝晶冰形态方面的作用提供了直接实验证据。
• 受控取向使得尖端过冷度得以精确测量，填补了海冰生长定量研究中的关键空白。
• 研究结果建立了清晰的海冰生长微观尺度情景，为未来面状枝晶尖端附近扩散场的理论建模提供了支持。