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| 氷 | |
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| 物理的特性 | |
| 密度 ( ρ ) | 0.9167 [1] –0.9168 [2] g/cm 3 |
| 屈折率 （n） | 1.309 |
| 化学的性質 | |
| 化学式 | 水 |
| 機械的性質 | |
| ヤング率 （E） | 3400～37,500 kgf /cm3 [ 2] |
| 引張強度（σt ） | 5～18kg-力/cm2 [ 2] |
| 圧縮 強度（σc ） | 24～60kg-力/cm2 [ 2] |
| ポアソン比 ( ν ) | 0.36 ± 0.13 [2] |
| 熱特性 | |
| 熱伝導率 ( k ) | 0.0053(1 + 0.0015 θ ) cal/(cm s K)、θ = 温度（℃）[2] |
| 線膨張係数 （α） | 5.5 × 10 −5 [2] |
| 比熱容量 （c） | 0.5057 − 0.001863 θ cal/(g K), θ = 温度の絶対値（°C）[2] |
| 電気的特性 | |
| 誘電率 ( ε r ) | ~95 [3] |
| 氷の特性は、温度、純度、その他の要因によって大きく異なります。 | |
氷は水が凍って固体になったもので、通常は 0 ° C、32 ° F、または 273.15 K の温度以下で形成されます。氷は地球上、他の惑星、オールトの雲の天体、および星間氷として自然に発生します。氷は、規則的な構造を持つ自然に発生する結晶性無機固体であるため、鉱物と見なされます。土の粒子や空気の泡などの不純物の存在に応じて、氷は透明に見えたり、多かれ少なかれ不透明な青白色に見えたりします。
地球上の氷のほとんどすべては、氷Ih（「氷1h」とも呼ばれる）と呼ばれる六方晶系の 結晶構造をしています。温度と圧力に応じて、少なくとも19の相（充填形状）が存在します。氷Ihへの最も一般的な相転移は、液体の水を以下の温度に冷却したときに発生します。0 °C (273.15 K、標準大気圧で32 °F ）の水が急速に冷却されると（急冷）、最大 3 種類の非晶質氷が形成されます。星間氷は圧倒的に低密度非晶質氷（LDA）であり、LDA 氷が宇宙で最も豊富な種類であると考えられます。ゆっくり冷却すると、相関陽子トンネル現象が以下の温度で発生します。−253.15 °C (20 K、−423.67 °F）となり、マクロな量子現象が発生します。
氷は地球の表面、特に極地や積雪線より上の地域で豊富で、雪が集まって氷河や氷床を形成します。雪片や雹として、氷は降水の一般的な形態ですが、水蒸気によって霜として直接堆積することもあります。氷から水への変化は融解であり、氷から水蒸気への変化は昇華です。これらのプロセスは、地球の水循環と気候において重要な役割を果たしています。ここ数十年、地球上の氷の量は気候変動により減少しています。最も大きく減少したのは北極と極地以外の山岳地帯です。海面上昇の主な原因は、地上の氷（浮遊する海氷ではなく）の減少です。
人類は何千年もの間、さまざまな目的で氷を利用してきました。冷却のために氷を保管するように設計された歴史的建造物の中には、2,000年以上前のものもあります。冷蔵技術が発明される前は、防腐剤で食品を改変することなく食品を安全に保存する唯一の方法は、氷を使用することでした。表面の氷が十分に固ければ、冬季に陸上輸送で水路を利用できるようになり、専用の氷の道路を整備することもできます。氷は冬のスポーツでも重要な役割を果たします。
物理的特性
氷は、水分子に基づいた規則的な結晶構造を持ち、1つの酸素原子が2つの水素原子と共有結合した構造、つまりH–O–Hで構成されています。しかし、水と氷の物理的特性の多くは、隣接する酸素原子と水素原子間の水素結合の形成によって制御されています。これは弱い結合ですが、水と氷の両方の構造を制御する上で非常に重要です。[6]
水の珍しい特性として、固体（大気圧で凍結した氷）の密度は液体よりも約 8.3% 低いという点があります。これは、9% の体積膨張に相当します。氷の密度は、0 °C および標準大気圧（101,325 Pa）で 0.9167 [ 1 ] -0.9168 [ 2 ] g/ cm 3ですが、水の密度は同じ温度および圧力で0.9998 [1] -0.999863 [2] g/cm 3です。液体の水は 4 °C で基本的に 1.00 g/cm 3で最も密度が高く、凝固点に達して水分子が氷の六方 晶を形成し始めるため、密度が低下し始めます。これは、分子間力よりも水素結合が優勢であるためで、その結果、固体内で分子のパッキングが密でなくなります。氷の密度は温度の低下とともにわずかに増加し、 -180℃（93K）では0.9340g/cm3となる。[ 7 ]
水が凍ると体積が増加する（淡水の場合は約9％）。[8]凍結時の膨張の影響は劇的であり、氷の膨張は自然界での岩石の凍結融解風化の基本的な原因であり、凍上による建物の基礎や道路の損傷の原因となっている。また、凍結時に膨張する水の圧力により水道管が破裂し、家屋が浸水する一般的な原因でもある。[9]
氷は液体の水よりも密度が低いため浮くため、水域が下から凍るのを防ぐことができる。代わりに、浮氷の下には動植物のための保護された環境が形成され、風冷えなどの短期的な気象異常から氷の下側が保護される。十分に薄い浮氷は光を透過し、細菌や藻類のコロニーの光合成を促進する。 [10]海水が凍ると、氷には塩水で満たされた溝が多数形成され、細菌、藻類、カイアシ類、環形動物などの共生生物が生息する。次に、それらはオキアミやハゲノトセンなどの特殊な魚類などの動物の餌となり、それらを皇帝ペンギンやミンククジラなどの大型動物が食べる。[11]
氷が溶けるとき、同質量の水を80℃（176℉）加熱するのに必要なエネルギーと同量のエネルギーを吸収します。 [12]融解プロセス中、温度は0℃（32℉）で一定に保たれます。融解中、加えられたエネルギーは氷（水）分子間の水素結合を切断します。十分な水素結合が切断され、氷が液体の水とみなせるようになった場合にのみ、エネルギーは熱エネルギー（温度）を上昇させるために利用できるようになります。氷から水への変化で水素結合を切断するために消費されるエネルギー量は、融解熱として知られています。[12] [8]
水と同様に、氷は酸素-水素 (O-H) 結合伸縮の倍音の結果として、スペクトルの赤色端の光を優先的に吸収します。水と比較すると、この吸収はわずかに低いエネルギーにシフトしています。したがって、氷は青く見え、液体の水よりもわずかに緑がかっています。吸収は累積的であるため、厚さが増すほど、または内部反射によって光が氷を通過する経路が長くなると、色の効果が強まります。[13]光を吸収する不純物が存在すると、他の色が現れることがあります。その場合、氷自体ではなく不純物が色を決定します。たとえば、不純物 (例: 堆積物、藻類、気泡) を含む氷山は、茶色、灰色、または緑色に見えることがあります。 [13]
自然環境の氷は通常融点に近いため、硬度は温度によって顕著に変化します。氷は融点ではモース硬度2以下ですが、-44℃（-47℉）では硬度が約4に上昇し、固体二酸化炭素（ドライアイス）の気化点である-78.5℃（-109.3℉）では硬度が6に上昇します。[14]
フェーズ
圧力がかかった液体のほとんどは、圧力によって分子が互いに結びつくため、高温で凍結します。しかし、水中の強い水素結合は異なります。1気圧（0.10 MPa）を超える圧力では、水は0℃（32℉）未満の温度で凍結します。氷、水、水蒸気は三重点で共存でき、611.657 Paの圧力で正確に273.16 K（0.01 ℃）です 。[16] [17]ケルビンは次のように定義されました1/273.16この三重点と絶対零度との差は [18]ですが、この定義は2019年5月に変更されました。 [19]他のほとんどの固体とは異なり、氷は過熱しにくいです。実験では、-3℃の氷が約250ピコ秒間約17℃まで過熱されました。[20]
より高い圧力と様々な温度にさらされると、氷は様々な密度で19の別々の既知の結晶相と、観測されていない仮説上の氷の相を形成する可能性がある。[21]注意深く行えば、これらの相のうち少なくとも15の相（既知の例外の1つは氷X）は、常圧および低温で準安定状態で回収できる。[22] [23]これらのタイプは、結晶構造、陽子の配列、[24]および密度によって区別される。また、圧力下では氷の2つの準安定相があり、どちらも完全に水素無秩序であり、氷IVと氷XIIである。氷XIIは1996年に発見された。2006年には、氷XIIIと氷XIVが発見された。[25]氷XI、XIII、およびXIVは、それぞれ氷Ih 、V、およびXIIの水素秩序型である。2009年には、氷XVが極めて高い圧力と-143℃で発見された。[26]さらに高い圧力では、氷は金属になると予測されており、これは1.55 TPa [27]または5.62 TPaで起こると推定されています。 [28]
固体の水は、結晶形態と同様に、様々な密度の非晶質固体水(ASW) として非晶質状態で存在することができます。宇宙では、六方晶系の結晶氷は氷火山に存在しますが[29]、それ以外では非常にまれです。ガニメデのような氷の衛星でさえ、主に他の結晶形態の氷で構成されていると予想されています。[30] [31]星間物質の水は非晶質氷が大部分を占めており、宇宙で最も一般的な形態の水であると考えられます。[32] 低密度 ASW (LDA) は、超急冷ガラス状水としても知られ、地球の夜光雲の原因である可能性があり、通常は低温または真空状態で水蒸気が沈着することによって形成されます。 [33]高密度 ASW (HDA) は、通常の氷 I hまたは LDA を GPa の圧力で圧縮することによって形成されます。超高密度ASW（VHDA）は、1～2GPaの圧力下で160Kまでわずかに温められたHDAである。[34]
理論上の超イオン水からの氷は、2つの結晶構造を持つ可能性がある。500,000バール（7,300,000 psi）を超える圧力では、そのような超イオン氷は体心立方構造をとる。しかし、1,000,000バール（15,000,000 psi）を超える圧力では、構造はより安定した面心立方格子に変化する可能性がある。超イオン氷は、天王星や海王星などの氷巨星の内部を構成している可能性があると推測されている。[35]
摩擦特性
氷が「滑りやすい」のは、摩擦係数が低いためです。この主題は、19世紀に初めて科学的に調査されました。当時、好まれた説明は「圧力融解」でした。つまり、アイススケートのブレードは、氷に圧力をかけると薄い層が溶け、ブレードが氷の上を滑るのに十分な潤滑剤を提供します。[36]しかし、フランク・P・ボウデンとTP・ヒューズによる1939年の研究では、それが唯一の説明である場合、スケーターは実際よりもはるかに多くの摩擦を経験することがわかりました。さらに、フィギュアスケートの最適温度は-5.5°C（22°F、268K）、ホッケーの場合は-9°C（16°F、264K）ですが、圧力融解理論によると、-4°C（25°F、269K）以下でスケートをすることはまったく不可能です。 [ 37]その代わりに、ボウデンとヒューズは、氷層の加熱と融解は摩擦によって引き起こされると主張した。しかし、この理論は、氷が零下の温度でも静止しているときに滑りやすい理由を十分に説明していない。[36]
その後の研究では、界面の氷分子は、その下の氷塊の分子と適切に結合できない（そのため、液体の水の分子のように自由に動く）ことが示唆された。これらの分子は半液体状態のままであり、氷に対してどのような物体が圧力をかけても潤滑性を提供する。しかし、この仮説の重要性は、原子間力顕微鏡を用いた氷の摩擦係数が高いことを示す実験によって異論が唱えられている。[37]したがって、氷の摩擦特性を制御するメカニズムは、依然として科学的研究の活発な分野である。[38]氷の摩擦に関する包括的な理論では、前述のメカニズムをすべて考慮して、温度と滑り速度の関数としてさまざまな材料に対する氷の摩擦係数を推定する必要がある。2014年の研究では、ほとんどの典型的な条件下では摩擦熱が最も重要なプロセスであることが示唆されている。[39]
自然形成
地球の表面で水が凍っている部分すべてを総称して氷圏という。氷は地球の気候、特に水循環の重要な要素である。氷河や積雪は淡水の重要な貯蔵メカニズムであり、時間の経過とともに昇華したり溶けたりする。雪解け水は季節的な淡水の重要な供給源である。[40] [41]世界気象機関は、起源、大きさ、形状、影響などに応じて数種類の氷を定義している。[42] クラスレート水和物は、結晶格子内に閉じ込められたガス分子を含む氷の形態である。[43] [44]
海の中で
海で見つかる氷は、水に浮かぶ流氷、海岸線に固定された定着氷、海底に付着しているアンカー氷の形をとることがあります。 [45]棚氷や沿岸氷河から分離した氷は氷山になることがあります。[46]分離の余波は、氷メランジュと呼ばれる雪と氷のゆるい混合物を生み出します。[47]
海氷はいくつかの段階で形成される。最初は、ミリメートル単位の小さな結晶が水面に蓄積し、フラジル氷と呼ばれる。結晶がやや大きくなり、形や覆い方が均一になると、水面は上から見ると「油っぽい」ように見え始めるため、この段階はグリース氷と呼ばれる。[48]その後、氷は凝集を続け、氷盤と呼ばれる平らな凝集片に固まる。氷盤は海氷の基本的な構成要素であり、その水平方向のサイズ（直径の半分と定義される）は劇的に変化し、最小でセンチメートル、最大で数百キロメートルに及ぶ。[49]表面の70％以上が氷である領域は、流氷で覆われていると言われる。[50]
完全に形成された海氷は、海流と風によって押しつぶされて、高さ12メートル（39フィート）に達する圧力隆起を形成することがあります。 [51]一方、活発な波の活動により、海氷はパンケーキ氷と呼ばれる小さな規則的な形の破片になることがあります。[52]時には、風と波の活動によって海氷が「磨かれ」、氷の卵と呼ばれる完全に球形の破片になることがあります。[53] [54]
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ベーリング海のグリース氷 -
グリーンランド東海岸の緩い流氷 -
エストニア、タリンのストローミビーチにある氷の卵（直径5～10 cm） -
南極の流氷、1919年 -
2020年7月4日にMOSAiC探検隊が撮影した、中央北極圏の1年目の海氷尾根。 -
グリーンランド西海岸の氷のメランジュ、2012年 -
南極マクマード湾の海底に停泊する氷。
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陸上
地球上で最大の氷床は、世界最大の島であるグリーンランドと南極大陸をほぼ完全に覆う2つの氷床です。これらの氷床の平均厚さは1km（0.6マイル）を超え、数百万年にわたって存在しています。[55] [56]
陸上にあるその他の主要な氷河には、氷冠、氷原、氷河流、氷河などがある。特にヒンドゥークシュ地方は、多数の氷河が存在することから地球の「第三の極」として知られている。氷河の面積は約80,000 km 2 (31,000平方マイル)で、総体積は3,000～4,700 km 3である。[40]これらの氷河は、その融解水が川に流れ込み、推定20億人の水源となっていることから、「アジアの給水塔」というニックネームがつけられている。[41]
永久凍土とは、2年以上継続的に0℃（32℉）以下の土壌または海底堆積物を指す。 [57]永久凍土内の氷は、細孔氷、鉱脈氷（氷楔とも呼ばれる）、埋没表面氷、および堆積内氷（地下水の凍結による）の4つのカテゴリに分類される。[58]永久凍土地域での氷の形成の一例は、北極および亜北極の川の谷で形成されるアウフェイと呼ばれる層状の氷である。川床で凍結した氷は、通常の地下水の排出を妨げ、地元の地下水位を上昇させ、凍結層の上に水が排出される。この水は次に凍結し、地下水位をさらに上昇させ、サイクルを繰り返す。その結果、層状の氷堆積物が形成され、厚さは数メートルになることが多い。[59] 雪線と雪原は、雪原が氷堆積物の平衡点（雪線）の上に蓄積し、融解するという点で、2つの関連した概念である。[60]
川や小川で
流水に形成される氷は、静水に形成される氷よりも均一性や安定性に欠ける傾向がある。砕けた氷の塊が積み重なる氷詰まり（「氷のダム」と呼ばれることもある）は、川における最大の氷の危険である。氷詰まりは洪水を引き起こし、川内や川付近の構造物を損傷し、川上の船舶を損傷する可能性がある。氷詰まりは、一部の水力発電施設を完全に停止させる原因となる可能性がある。氷のダムは、氷河の動きを阻むもので、氷河湖を形成する可能性がある。川の激しい氷流は船舶を損傷する可能性があり、航行を可能にするために砕氷船の使用が必要になる。 [61] [62]
氷盤は川の水に浮かぶ円形の氷です。渦流の中で形成され、位置によって非対称に溶けるため、低速で回転し続けます。[63] [64]
湖の上
氷は岸からの静かな水面に形成され、薄い層が表面全体に広がり、その後下方に広がります。湖の氷は一般的に4つのタイプ、すなわち一次氷、二次氷、重ね氷、凝集氷に分けられます。[65] [66]一次氷は最初に形成されます。二次氷は一次氷の下に熱流の方向と平行な方向に形成されます。重ね氷は雨や氷の割れ目から染み出た水によって氷の表面上に形成され、雪が積もると沈殿することがよくあります。氷の膨張や風の作用によって引き起こされる氷の動きが、氷が湖岸に押し付けられる程度にまで起こると、湖岸を形成する堆積物を押しのけることがよくあります。[67]
棚氷は、浮遊する氷片が風に吹き飛ばされて風上の岸に積み重なることによって形成される。この種の氷は薄い表層の下に大きな空気層を含む場合があり、その上を歩くのは特に危険である。[68]歩いて渡るのに危険な腐った氷のもう1つの形は、湖面に対して垂直に柱状に成長するキャンドル氷である。しっかりとした水平構造がないため、落ちてしまった人は引き上げるのにつかまるものがない。[69]
降水量として
雪と凍雨
雪の結晶は、小さな過冷却雲粒（ 直径約 10 μm ）が凍ると形成されます。これらの水滴は、-18 °C（255 K; 0 °F）未満の温度でも液体のままでいることができます。凍結するには、水滴内のいくつかの分子が偶然集まって氷の格子と同様の配置を形成する必要があり、その後、水滴はこの「核」の周りで凍結します。実験では、この雲粒の「均一な」核形成は、-35 °C（238 K; -31 °F）未満の温度でのみ発生することが示されています。[70]より暖かい雲では、核として機能するには、エアロゾル粒子または「氷核」が水滴内に存在する（または接触している）必要があります。どのような粒子が効率的な氷核を作るのかについての私たちの理解は乏しいですが、わかっているのは、液滴が形成される雲凝結核と比較すると、それらは非常にまれであるということです。粘土、砂漠の塵、生物学的粒子は効果があるかもしれないが[71]、どの程度効果があるかは不明である。人工核は雲の種まきに使われる。[72]その後、水滴は氷の表面に水蒸気が凝縮して成長する。[73]
氷雨は、凍結雨を特徴とする冬の嵐の一種で、道路や電線などの表面に氷のつやを発生させます。米国では、冬の天候現象の4分の1で氷のつやが発生し、公共事業体は被害を最小限に抑える準備をする必要があります。[74]
ハードフォーム
雹は、過冷却水滴が塵や土などの凝結核と接触して凍結することで嵐の雲の中で発生します。嵐の上昇気流により雹が雲の上部に吹き飛ばされます。上昇気流は消散し、雹は下に落ちて上昇気流に戻り、再び持ち上げられます。雹の直径は5ミリメートル（0.20インチ）以上です。[ 75] METARコードでは、GRは直径が6.4ミリメートル（0.25インチ）以上の大きな雹を示し、GSはそれより小さい雹を示します。[76]北米では、19ミリメートル（0.75インチ）、25ミリメートル（1.0インチ）、44ミリメートル（1.75インチ）の雹が最も頻繁に報告されています。[77]雹は15センチメートル（6インチ）まで成長し、重さは0.5キログラム（1.1ポンド）を超えることがあります。[78]大きな雹の場合、さらに凍結することで放出される潜熱によって雹の外殻が溶けることがあります。その後、雹は「湿潤成長」を起こし、液体の外殻が他の小さな雹を集めます。[79]雹は氷の層を獲得し、上昇するたびにどんどん大きくなります。雹が嵐の上昇気流で支えられないほど重くなると、雲から落ちます。[80]
雹は強い雷雲の中で発生しますが、特に上昇気流が強く、液体の水分含有量が多く、垂直方向に大きく広がり、水滴が大きく、雲層の大部分が氷点下の0℃（32℉）以下の場合に発生します。[75]雹を発生させる雲は、緑色をしていることで識別できることが多いです。[81] [82]成長率は約-13℃（9℉）で最大になり、-30℃（-22℉）よりずっと低い温度では過冷却水滴が少なくなるため、ほとんど見られなくなります。このため、雹は中緯度の大陸内部で最もよく発生します。これは、氷点が高度11,000フィート（3,400メートル）を下回ると雹が発生する可能性がかなり高くなるためです。[83]大陸上空の激しい雷雨に乾燥した空気が 混入すると、蒸発冷却が促進されて雷雲の氷点が下がり、雹が成長する体積が大きくなるため、雹の発生頻度が増加する可能性がある。したがって、熱帯地方では雷雨の頻度が中緯度地方よりもはるかに高いにもかかわらず、雹は実際にはそれほど一般的ではない。これは、熱帯地方の上空の大気がはるかに深いところまで暖かい傾向があるためである。熱帯地方の雹は主に高地で発生する。[84]
氷粒（METARコードPL [76] ）は、半透明の小さな氷の球からなる降水の一種で、通常は雹よりも小さい。 [85]この降水形態は、米国立気象局では「みぞれ」とも呼ばれている。[86]（イギリス英語では「みぞれ」は雨と雪が混ざったものを指す。）氷粒は、通常、湿った暖かい前線がより冷たい大気層とより乾燥した大気層の間にあるときに、凍結雨とともに形成される。そこでは、雨滴は凍結し、蒸発冷却によりサイズが縮小する。[87]いわゆる雪粒、または霰は、複数の水滴が雪片の上で凍結して柔らかい球状の形状になったときに形成される。[88]いわゆる「ダイヤモンドダスト」（METARコードIC [76]）は、氷針または氷結晶としても知られ、上空のわずかに高い水分を含む空気が、より冷たい地表の空気と混ざることで、−40℃（−40℉）に近い温度で形成されます。[89]
表面上
水が滴り落ちて再び凍ると、地面につららや石筍のような構造物が形成されることがあります。 [90]傾斜した屋根では、氷が積もって氷のダムが形成され、溶けた水が適切に排水されなくなり、損傷を引き起こす漏水につながる可能性があります。[91]より一般的には、相対湿度が高いために水蒸気が表面に付着し、その後凍結することで、さまざまな形の大気の着氷、つまり霜が発生します。建物内では、断熱されていない窓の表面に氷が張って見えることがあります。[92]霜は自然界では一般的であり、特に谷などの低地ではよく見られます。[93]南極では、気温が非常に低いため、静電気の引力が高まり、雪の上の霜が風に吹かれてくっついてタンブルウィードのようなボールになり、雪まりもと呼ばれることがあります。[94]
冷たい物体の上で水滴が結晶化して、氷結ではなく霜になることがあります。軟氷の密度は純粋な氷の 4 分の 1 から 3 分の 2 です[95]。これは閉じ込められた空気の割合が高いためです。このため軟氷は白く見えます。硬氷は密度が高く、透明で、船や飛行機に現れる可能性が高くなります。[96] [97]冷たい風は、物体に衝突すると、特に移流霜と呼ばれる現象を引き起こします。植物に発生すると、植物に損傷を与えることがよくあります。 [98]農作物を霜から守るには、単に覆う方法から風力発電機を使用する方法まで、さまざまな方法があります。[99] [100]ここ数十年、灌漑用スプリンクラーは、事前にゆっくりと氷の層を作り、植物に突然の温度ショックを与えないようにするのに十分な量の水を噴霧するように調整され、その重さで損傷を与えるほど厚くはなりません。[99]
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アブレーション
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氷の融解とは、氷が溶けることと溶解することの両方を指します。[101]
氷が溶けるということは、水分子間の水素結合が壊れることを意味します。固体中の分子の秩序は、秩序の低い状態に崩れ、固体は溶けて液体になります。これは、氷の内部エネルギーを融点を超えて増加させることによって実現されます。氷が溶けるとき、同量の水を 80 °C 加熱するのに必要なエネルギーと同じだけのエネルギーを吸収します。溶けている間、氷の表面温度は 0 °C で一定に保たれます。融解プロセスの速度は、エネルギー交換プロセスの効率によって決まります。淡水中の氷の表面は、自由対流によってのみ溶けます。融解速度は、 T ∞が 3.98 °C 未満の場合は水温T ∞に比例し、 T ∞が 3.98 °C 以上の場合は超線形で、融解速度は (T ∞ − 3.98 °C) αに比例します( α = ) 。5/3 T ∞が 8 °C よりはるかに大きい場合、α = 4/3中間温度T∞の場合。 [ 102]
塩分を多く含む環境下では、融解ではなく溶解が氷の融解を引き起こすことが多い。例えば、北極海の温度は一般に融解する海氷の融点よりも低い。固体から液体への相転移は塩と水分子を混ぜることによって達成され、水温が砂糖の融点よりはるかに低いにもかかわらず、砂糖が水に溶けるのと似ている。しかし、溶解速度は塩濃度によって制限されるため、融解よりも遅くなる。[103]
人間の活動における役割
冷却
氷は長い間、冷却手段として重宝されてきました。紀元前 400 年のイランでは、ペルシャの技術者がすでに夏の間砂漠で氷を貯蔵する技術を開発していました。冬の間、氷は採取池や近くの山から大量に運ばれ、特別に設計された自然冷却式の冷蔵庫、いわゆるヤフチャル(氷貯蔵庫の意) に貯蔵されました。ヤフチャルは、砂、粘土、卵白、石灰、ヤギの毛、灰から作られたサルージと呼ばれる特殊なモルタルで作られた厚い壁 (底部で少なくとも 2 メートル) のある大きな地下空間 (最大 5,000 m 3)でした。モルタルは熱伝導に強く、氷が溶けない程度に冷やされていました。また、水も浸透しませんでした。ヤフチャルには、夏の暑いときでも内部の温度を氷点下まで下げることができるカナートと風よけシステムが含まれることが多かったです。[104] [105]
収穫
16世紀から17世紀のイギリスでは、テムズ川河口沿いの低地を冬季に水没させ、カートで氷を採取して断熱材の施された木造の家に季節の合間に貯蔵する産業が盛んだった。この氷は大きな田舎の家によくあった氷室の備蓄として使われ、遠海で捕獲された魚を新鮮に保つために広く使われていた。中国で同じ活動を見たイギリス人がこれを真似したと言われている。1823年には早くもノルウェーからイギリスに相当な量の氷が輸入されていた。[106]
アメリカ合衆国では、1799年にニューヨーク市からサウスカロライナ州チャールストンへ最初の氷の積荷が送られ、 [106] 19世紀前半までに氷の採取は大きなビジネスとなった。 「氷の王」として知られるようになったフレデリック・チューダーは、特に熱帯地方への氷の長距離輸送のためのより優れた断熱製品の開発に取り組んだ。これは氷貿易として知られるようになった。[107]
1812年から1822年にかけて、ロイド・ヘスケス・バンフォード・ヘスケスの指導の下、 18の大きな塔を備えたグリッチ城が建設されました。そのうちの1つは「氷の塔」と呼ばれています。その唯一の目的は氷を保管することでした。[108]
トリエステはエジプト、コルフ島、ザキントス島に氷を、スイス、フランスに氷を、ドイツにはバイエルンの湖から氷を供給したこともあった。[106] 1930年代から1994年まで、ハンガリー国会議事堂は冬にバラトン湖から採取した氷を空調に使用していた。[109]
氷室は冬にできた氷を貯蔵し、一年中氷が利用できるようにするために使われ、初期の冷蔵庫はアイスボックスと呼ばれ、中に氷の塊を入れて冷却していた。多くの都市では夏季に氷の定期配達サービスがあった。人工冷却技術の出現により、氷の配達は時代遅れになった。[110]
氷は現在でも氷雪彫刻イベントのために採取されている。例えば、ハルビン国際氷雪彫刻フェスティバルでは毎年、松花江の凍った表面からスイングソーを使って氷を採取している。[111]
人工生産
人工的に氷を作る最も古い記録は、13世紀のアラブの歴史家イブン・アブ・ウサイビアの著作『キタブ・ウユン・アル・アンバ・フィ・タバカト・アル・アティバ』に記された医学に関する記述である。その中でイブン・アブ・ウサイビアは、この製法を、さらに古い著者であるイブン・バクタワイヒに帰しているが、この人物については何も知られていない。[112]
氷は現在、食品の保管や加工、化学製品の製造、コンクリートの混合や硬化、消費者向けまたはパッケージ化された氷などの用途のために、工業規模で生産されています。[113]ほとんどの業務用製氷機は、さまざまな技術を使用して、フレーク氷、チューブ状氷、プレート氷の3種類の基本的な断片氷を生産しています。[113]大規模なバッチ製氷機は、1日あたり最大75トンの氷を生産できます。[114] 2002年には、米国に426の業務用製氷会社があり、出荷総額は5億9548万7000ドルでした。[115]家庭用冷蔵庫にも内蔵製氷機があり、通常は角氷またはクラッシュアイスを作ります。最初のこの種の装置は、1965年にフリジデールによって発表されました。[116]
陸路旅行
道路に氷が形成されるのは冬によくある危険で、ブラックアイスは見えにくいため特に危険です。ブラックアイスは非常に透明で、特に日陰（したがって涼しく暗い）の場所、つまり高架の下に形成されることが多いです。[117]
融点に近い温度で発生する凍結雨や雪があるときはいつでも、車の窓に氷が積もるのが一般的です。多くの場合、雪は溶けて再凍結し、断片化された氷の層を形成し、効果的に雪を窓に「接着」します。この場合、凍結した塊は通常、アイススクレーパーで除去されます。[118]十分に寒い天候では、車の窓の内側の表面に薄い氷の結晶の層が形成されることもあります。1970年代と1980年代には、フォードサンダーバードなどの一部の車両は、その結果、加熱フロントガラスにアップグレードできました。この技術は高価で損傷しやすいため廃れましたが、リアウィンドウデフロスターはメンテナンスが安いため、より普及しています。[119]
十分に寒い場所では、水面の氷の層が厚くなり、氷の道路を建設できるほどになることがある。一部の規制では、最小安全厚さは、人の場合は4インチ（10 cm）、スノーモービルの場合は7インチ（18 cm）、 5トン未満の自動車の場合は15インチ（38 cm）と規定されている。トラックの場合、有効な厚さは積載量によって異なり、たとえば総重量9トンの車両の場合は20インチ（51 cm）の厚さが必要である。特に、最小安全厚さを満たす道路を走行する車両の速度制限は時速25 km（15 mph）であり、道路の厚さが最小安全値の2倍以上の場合は時速35 km（25 mph）まで上がる。[120]氷の上に鉄道が建設された例が知られている。[121]
最も有名な氷の道は、ラドガ湖を横切る「命の道」だった。この道は1941年から1942年、および1942年から1943年の冬に運用され、当時はドイツ北方軍集団によるレニングラード包囲からソ連が救出できる唯一の陸路だった。[ 122 ] : 76–80トラックが 何十万トンもの物資を市内に運び、何十万人もの民間人が避難した。[123]現在、この道は世界遺産となっている。[124]
水上移動
船にとって、氷は2つの異なる危険をもたらします。第一に、しぶきや凍結雨により船の上部構造に氷が積もり、船が不安定になり、転覆する可能性もあります。[125]以前は、乗組員は定期的に手作業で氷の積もりをはがさなければなりませんでした。1980年代以降、除氷剤を散布したり、熱湯/蒸気ホースで氷を溶かすことがより一般的になりました。[126]第二に、氷山 （水中に浮かぶ大きな氷の塊（通常は氷河が海に達したときに形成されます））は、航行中の船に衝突すると危険です。氷山は多くの船の沈没の原因となっており、最も有名なのはタイタニック号です。[127]
極地に近い港では、理想的には一年中氷がないことが重要な利点となる。例としては、ムルマンスク（ロシア）、ペツァモ（ロシア、旧フィンランド）、ヴァルドー（ノルウェー）などがある。氷のない港は、砕氷船と呼ばれる特殊な船を使って開通する。[128]砕氷船は、他の船が海氷を抜ける航路を開くためにも使用される。唯一の選択肢は、「ポリニヤ」または「リード」と呼ばれる開口部を見つけることである。砕氷船の大規模な生産は、19世紀に始まった。初期の設計では、氷を効果的に砕くために、スプーン状または斜めの形状に強化された船首を備えていた。後期の設計では、一般的な後部プロペラでは船を効果的に氷の中で操縦することができなかったため、突き出た船首の下に前方のプロペラが取り付けられた[128]
航空旅行
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航空機にとって、氷は多くの危険を引き起こす可能性がある。航空機が上昇するとき、異なる温度と湿度の空気層を通過するが、その一部は氷の形成を促す可能性がある。翼や操縦翼面に氷が形成されると、航空機の飛行特性に悪影響を与える可能性がある。1919年、大西洋を無着陸で横断した最初の飛行中に、イギリスの飛行士ジョン・アルコック大尉とアーサー・ウィッテン・ブラウン中尉は、そのような氷結状態に遭遇した。ブラウンは、操縦していたヴィッカース・ヴィミー機のエンジンの空気取り入れ口を覆っていた氷を取り除くために、コックピットを離れて翼に何度も登った。[131]
往復動式内燃機関に関連する着氷の影響を受ける脆弱性の 1 つは、キャブレターです。空気がキャブレターからエンジンに吸い込まれると、局所的な気圧が低下し、断熱冷却が起こります。したがって、湿度が高く氷点下に近い状況では、キャブレターは冷たくなり、凍結しやすくなります。これにより、エンジンへの空気の供給が妨げられ、エンジンが故障します。1969 年から 1975 年の間に、このような事例が 468 件記録され、75 機の航空機が失われ、44 人が死亡し、202 人が重傷を負いました。[132]そのため、キャブレターの吸気ヒーターが開発されました。さらに、燃料噴射式の往復動式エンジンには、そもそもキャブレターは必要ありません。[133]
ジェットエンジンではキャブレターの凍結は発生しませんが、ジェット燃料に含まれる水分が凍結して氷の結晶を形成し、エンジンへの燃料吸入口を塞ぐ可能性があります。この問題に対処するために、燃料ヒーターや除氷添加剤が使用されます。[134]
レクリエーションとスポーツ
氷は冬のレクリエーションや、アイススケート、ツアースケート、アイスホッケー、バンディ、アイスフィッシング、アイスクライミング、カーリング、ブルームボール、ボブスレー、リュージュ、スケルトンなどの多くのスポーツにおいて中心的な役割を果たしています。氷上で行われるさまざまなスポーツの多くは、 4年ごとに開催される冬季オリンピックで国際的な注目を集めます。[135]
小型のボートのような乗り物をブレードの上に載せ、帆で氷の上を走らせることができる。このスポーツはアイスヨットと呼ばれ、何世紀にもわたって実践されてきた。[136] [137]もう一つの乗り物スポーツはアイスレースで、ドライバーは湖の氷の上をスピードを出し、同時に車両のスキッドも制御しなければならない（ある意味でダートトラックレースに似ている）。このスポーツはアイスリンク用に改良されたこともある。[138]
その他の用途
熱バラストとして
- 氷は今でも携帯用クーラーボックスで食品を冷やしたり保存したりするために使われている。[110]
- 氷や砕いた氷は飲み物を冷やすのに使えます。氷が溶けると熱を吸収し、飲み物の温度を0℃（32℉）近くに保ちます。[139]
- 氷は空調システムの一部として利用することができ、電池式または太陽光発電式のファンで氷の上に熱風を吹き付けることができる。これは特に熱波のときに停電して標準的な（電気式の）エアコンが機能しないときに役立つ。[140]
- 氷は（他の冷却パックと同様に）体の特定の部分に押し当てることで、腫れ（血流を減らすことによって）や痛みを軽減するために使用できます。 [141]
構造材料として
- 技術者たちは、 1973年に南極大陸初の浮氷桟橋を建設した際、流氷の大きな強度を利用した。 [142]このような氷桟橋は、貨物船の積み下ろしの際に使用される。艦隊の運用担当者は、冬の間に浮氷桟橋を建設する。桟橋は、マクマード湾の自然に凍った海水の上に、桟橋が約22フィート（6.7メートル）の深さに達するまで構築する。氷桟橋は、本質的に一時的な構造物であるが、10年も持つものもある。桟橋が使用できなくなったら、砕氷船で海まで曳航される。[143]
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- 建造物や氷の彫刻は、大きな氷の塊や水を吹きかけて作られる[121]。建造物は主に装飾用であり（氷の城の場合など）、長期の居住には適していない。いくつかの寒冷地域では、氷のホテルが季節限定で存在する。 [144] イグルーは、主に雪で作られた一時的な建造物のもう1つの例である。[145]
- 技術者は氷を使って破壊することもできます。鉱山では、岩石に穴をあけて寒い時期に水を注ぐ方法がダイナマイトの代わりに使われています。水が氷として膨張すると岩が割れるからです。[9]
- 第二次世界大戦中、ハッバクク計画は連合国による計画で、氷で魚雷に耐える船と広い甲板を簡単に建造できるため、軍艦、特に航空母艦の材料としてピクレート（氷と混合した木質繊維）の使用を研究した。小規模な試作機が建造されたが[146]、この計画は従来の航空母艦よりもはるかに費用がかかり、速度も何倍も遅く、溶解しやすいことが判明した[147] 。
- 氷は、打楽器奏者のテリエ・イスングセットなど、様々な楽器の材料としても使われてきました。[148]
気候変動の影響
歴史的
人間の活動による温室効果ガスの排出は、地球のエネルギー収支のバランスを崩し、熱の蓄積を引き起こします。[150]その熱の約90％は海洋の熱量に追加され、1％は大気中に保持され、3〜4％は氷圏の主要部分を溶かすことになります。[150]その結果、1994年から2017年の間に、世界中で28兆トンの氷が失われました。[149] 北極の海氷の減少が最大の損失（7.6兆トン）を占め、続いて南極の棚氷の融解（6.5兆トン）、山岳氷河の後退（6.1兆トン）、グリーンランド氷床の融解（3.8兆トン）、最後に南極氷床の融解（2.5兆トン）と南極海の海氷の限定的な損失（0.9兆トン）が続きました。[149]
海氷（アルキメデスの原理によりすでに水を押しのけている）以外のこれらの損失は、海面上昇（SLR）の主な原因であり、将来的に激化すると予想されています。特に、浮遊棚氷が失われて氷河を支えられなくなるため、西南極氷床の融解が大幅に加速する可能性があります。これは、十分に理解されていない海洋氷床不安定化プロセスを引き起こし、今世紀末に予想されるSLR（30 cm（1フィート）から1 m（3+1 ⁄ 2 フィート（将来の温暖化によっては10センチメートル以上）上昇する可能性がある。 [151] : 1302
グリーンランドと南極の氷の減少は大量の淡水融解水も生み出し、それぞれ大西洋南北循環(AMOC) と南極海循環を乱す。[152]熱塩循環のこの2つの半分は地球の気候にとって非常に重要である。高融解水の流れが続くと、どちらかの循環、あるいは両方の循環に深刻な混乱 (「崩壊」に至る) を引き起こす可能性がある。どちらのイベントも、元に戻すのが極めて難しいため、気候システムの転換点の例とみなされるだろう。 [152] AMOC は一般に 21 世紀中に崩壊するとは予想されていないが、南極海循環についての知識は限られている。[151] : 1214
氷に関連した転換点のもう一つの例は、永久凍土の融解です。永久凍土に含まれる有機物は、融解して分解し始めると二酸化炭素とメタンを排出しますが、[ 152]氷が溶けると地面が液化し、永久凍土の上に建てられたものはすべて崩壊します。2050年までに、このようなインフラの喪失による経済的損害は数百億ドルに達すると予想されています。[153]
予測
将来、北極海は少なくとも9月（氷が溶ける季節の終わり）には事実上すべての海氷を失う可能性が高いが、一部の氷は冬の間に再凍結するだろう。つまり、地球温暖化が1.5℃（2.7℉）の場合、氷のない9月は40年に1度発生する可能性があるが、2℃（3.6℉）では8年に1度、3℃（5.4℉）では1.5年に1度発生する。[155]これは、氷アルベドフィードバックにより、地域および地球の気候に影響を及ぼすだろう。氷は太陽エネルギーを非常によく反射するため、海氷が長く続くと局所的な気温が下がる。その氷が溶けると、暗い海水がより多くの熱を吸収し始め、残りの氷も溶けやすくなる。[158]
1992年から2018年の間に世界で海氷が失われたのは、そのほとんどが北極圏で、すでに同期間における温室効果ガス排出量の10%に相当する影響を及ぼしている。 [159]北極圏の海氷が毎年6月から9月（極日、太陽が常に輝いている時期）の間にすべて消失した場合、北極圏の気温は1.5℃（2.7℉）以上上昇し、地球全体の気温は約0.19℃（0.34℉）上昇することになる。[154]
2100年までには、グリーンランドと南極以外の山岳氷河の少なくとも4分の1が溶け、[161]非極地の山岳にある実質的に全ての氷床は、地球温暖化が2℃（3.6℉）に達してから約200年後に失われる可能性が高い。[156] [157]西南極の氷床は非常に脆弱であり、温暖化がこれ以上進まなくても消滅する可能性が高いが[162] [163] [164] [165]、完全に失われるまでには約2,000年かかる可能性がある。[156] [157]グリーンランドの氷床は、1.7℃（3.1℉）から2.3℃（4.1℉）の持続的な温暖化で失われる可能性が高いが[166] 、完全に失われるには約10,000年かかる。[156] [157]最後に、東南極の氷床が完全に溶けるには少なくとも1万年かかり、そのためには5℃（9.0°F）から10℃（18°F）の温暖化が必要となる。[156] [157]
もし地球上の氷がすべて溶けたら、海面は約70メートル（229フィート8インチ）上昇し、[167]そのうち約53.3メートル（174フィート10インチ）は東南極から来るでしょう。[56]アイソスタシーリバウンドにより、氷のない陸地は最終的にグリーンランドで平均301メートル（987フィート6インチ）、南極で平均494メートル（1,620フィート9インチ）高くなるでしょう。各陸地の中心の領域はそれぞれ最大783メートル（2,568フィート11インチ）、936メートル（3,070フィート10インチ）高くなるでしょう。[168]西南極、山岳氷河、グリーンランド氷床の消失による地球の気温への影響は、それぞれ0.05℃（0.090℉）、0.08℃（0.14℉）、0.13℃（0.23℉）と推定されている。[154]一方、東南極氷床の消失により気温は0.6℃（1.1℉）上昇する。[156] [157]
非水
他の揮発性物質の固体相も氷と呼ばれます。一般的に、揮発性物質の融点または昇華点が100 K（-173 °C、-280 °F）（標準大気圧を想定）以上である場合、その物質は氷として分類されます。最もよく知られている例は、二酸化炭素の固体であるドライアイスです。その昇華/沈殿点は194.7 K（-78.5 °C、-109.2 °F）です。[169]
氷の「磁気類似体」は、磁気モーメントが氷中の陽子の位置を模倣し、氷中の陽子配置の幾何学的フラストレーションから生じるベルナル・ファウラーの氷則に似たエネルギー制約に従う絶縁磁性材料でも実現される。これらの材料はスピンアイスと呼ばれる。[170]
参照
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さらに読む
- ブレイディ、エイミー。『氷：ミックスドリンクからスケートリンクまで - 人気商品のクールな歴史』（GP Putnam's Sons、2023年）。
- ホッジ、フレッド。『氷と人間：寒さを利用して人類をどう変えてきたか』（ペガサスブックス、2022年）
- レナード、マックス。『A Cold Spell: A Human History of Ice』（ブルームズベリー、2023年）のオンラインレビュー
外部リンク
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Wikisource には、The New Student's Reference Work の記事「Ice 」のテキストがあります。
- 氷のWeb鉱物リスト
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- 氷の支持力の推定
- 高温高圧の氷
- 氷の驚くほどクールな歴史