フラジル氷

フラジル氷は、ミリメートルからサブミリメートルの大きさで、楕円形のディスク、樹枝状、針状、不規則な性質など、さまざまな形状をした、ランダムに配向した緩い氷の結晶の集まりです。 ^{[1] [2] [3] [4] [5]}フラジル氷は、冬の間に、波や流れの作用によって引き起こされる乱流状態にある河川の開水域や湖沼や貯水池で形成されます。乱流により水柱が過冷却状態になり、空気と水の間の熱交換によって水温が氷点下（数十分の1℃以下）に下がります。^{[3] [5] [6]}その乱流に関連する垂直方向の混合により、結晶の浮力を克服するのに十分なエネルギーが提供され、結晶が表面に浮かぶのを防ぎます。フラジル氷は海洋でも形成され、そこでは風が強く、波が立ち、冷たい空気が過冷却層の形成に有利に働く。^{[7] [8]フラジル氷は、}リードの風下側やポリニヤで見られる。これらの環境では、その氷は最終的に水面に蓄積され、グリース氷と呼ばれるものになる。

フラジル氷は取水口を塞ぐことで有名で、^{[6] [9] [10]}結晶が蓄積して取水口のゴミラックに堆積します。このような閉塞は、給水施設、水力発電所、原子力発電所、および冷水域を航行する船舶に悪影響を及ぼし、施設の予期せぬ停止やゴミラックの崩壊につながる可能性があります。

水面が急速に熱を失い始めると、水は過冷却状態になります。強風や川の流れによって生じる乱流により、過冷却水は水深全体でかき混ぜられます。過冷却水によってすでに小さな氷の結晶 (フラジル氷) が形成され、結晶は水域の底に運ばれます。氷は通常浮きますが、フラジル氷は流れの速度に比べてサイズが小さいため、浮力が弱く、非常に簡単に底に運ばれます。

二次核形成と呼ばれるプロセスを通じて、結晶の数は急速に増加し、過冷却された周囲環境のため、結晶は成長し続けます。時には、濃度は 1 立方メートルあたり 100 万個の氷結晶に達すると推定されます。

結晶の数とサイズが大きくなると、フラジル氷は水中の物体に付着し始めます。特に、物体自体の温度が水の凝固点より低い場合はその傾向が強くなります。フラジル氷が蓄積すると、洪水が発生したり、ゴミ箱などの物体が損傷したりすることがよくあります。フラジル氷は水面下で見つかるため、その形成を検出するのは困難です。

通常、フラジル氷は物体の上流側に堆積し、物体に付着します。フラジル氷が堆積するにつれて、成長は上流にまで及び、幅が広くなり、ついにはフラジル氷の堆積物が橋渡しとなり、水をせき止めます。このせき止め物に水が流れ込むと、上流側の圧力が高まり、差圧（上流側と下流側の圧力の差）が生じます。これにより、橋渡しが下流にまで成長します。これが起こると、他の方法で防止しない限り、洪水や被害が発生する可能性が高くなります。

フラジル氷は、温帯（または「温暖ベース」）氷河の下でも、水が急速に流れ、圧力が急激に低下して過冷却するため形成されることが実証されている。この「氷河水力過冷却」プロセスにより、氷河や氷床の下を流れる堆積物を含んだ水からシルトを効果的に捕捉できる板状の氷結晶のオープンネットワークが形成される。その後の凍結と再結晶により、氷河の底に堆積物を多く含む氷の層が形成され、末端で融解すると、モレーンに堆積物が大量に蓄積される可能性がある。この現象は、核兵器実験によって生成されたため、1945年以前に凍結した氷にはほとんど含まれていないトリチウムの濃度が、いくつかの氷河（若い氷を意味する）の基底氷で高くなったことと、氷河末端の水排出口の周囲で氷結晶が急速に成長することが観察されたことで確認されている。

フラジル氷の蓄積を制御する方法はいくつかあります。抑制、機械的制御、熱制御、振動、材料の選択、損傷の軽減などが含まれます。

フラジル氷は、表面の水が上部の冷たい空気に熱を奪われることで発生する過冷却水で形成される。抑制とは、表面の水を無傷で安定した氷で覆って断熱するという考え方である。氷で覆われると熱の損失を防ぎ、すでに形成されている可能性のある過冷却水を温めることができる。^[11]この方法が機能するには、十分な面積を覆う必要があるが、「十分」が何を意味するのかはまだわかっていない。セントローレンス川は、フラジル氷とそれに続く氷の詰まりを防ぐために、「安定した氷の覆いを形成するのに役立つ流れの状態」を作り出すように明示的に管理されている。^[12]

これらの方法には、堰堤や氷防護柵の設置、水がたまる可能性のある堆積物を砕くためのウォータージェットの設置、手作業による堆積物の掻き出しなど、水の流れを制限せずに凍結を安定させる方法があります。この最後の方法は、人件費が高く、寒く、湿気が多く、深夜の作業となるため、あまり好まれません。バックフラッシングは、氷の堆積によって生じる差圧を打ち消すというアイデアを利用した別の技術です。この技術は、物体の下流側に高圧を発生させて差圧を逆転させます。^[要出典]

これらの方法は、フラジル氷の付着を防ぐために水中の構造物を加熱するか、フラジル氷がそもそも形成されないように水を加熱します。構造物を加熱する場合、氷点以上の温度に加熱する必要があります。電気抵抗ヒーターはうまく機能することがわかっていますが、安全上の問題が発生する可能性があります。蒸気または温水が送り込まれる中空のチューブを構造物に設置することもできますが、この方法は運用が不経済であると判断されています。^[13]他の能動的な方法も利用できます。たとえば、発電などの特定の産業プロセスでは、プラントの冷却のために水が供給されます。このようにして生成された温水の副産物は、通常は廃棄物として排出されますが、フラジルが蓄積する可能性のある場所に放出され、水温を 0.1～0.2 °C (0.18～0.36 °F) 上昇させます。これは、過冷却水が発生するのを防ぐのに十分な温度です。あるいは、廃水を再循環させて、フラジル氷が蓄積しやすい表面を直接温めることもできます。温水再利用のこれらの方法は両方とも、信頼性を確保するために、量、流量、配置、相対的な水温の正確な計算を必要とします。^[13]

まだ実験段階ですが、ダイナマイトによる爆破は、砕けた氷の堆積を崩す振動制御の 1 つの方法です。氷を砕くが周囲の構造物や環境を害しないように、爆薬を正確に投入する必要があります。爆破の安全性も重要であり、近隣住民が騒音公害について苦情を言う可能性があります。これらの理由から、この方法は緊急時の最後の手段以外ではあまり使用されません。^[要出典]

人工構造物は、しばしば氷が付着する対象物です。そのため、これらの構造物の材料を選択する際には、氷の付着を考慮する必要があります。たとえば、鋼鉄構造物は錆びますが、錆と氷の付着は非常に強いです。プラスチック、グラスファイバー、グラファイト、または鋼鉄にエポキシ塗料をコーティングするなど、付着力の低い材料を選択すると、付着の可能性が低くなります。それでも付着は発生しますが、そのような材料を使用すると、レーキングなどの他の方法が容易になります。^[要出典]

指定された洪水地域を機械構造物で保護することで、被害を軽減できる可能性があります。

• グリースアイス

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• ビデオ、ヨセミテ自然ノートエピソード 9: フラジル氷