氷のスパイク

アイススパイクは、しばしば逆さまのつららの形をした、凍った水面から上向きに突き出た氷の形成物です。小さな凍った水面の自然現象によって生成されるアイススパイクは、何十年も報告されていますが、その発生は非常にまれです。現在ではバリー・ドーシーモデルとして知られているアイススパイクの形成メカニズムは、20世紀初頭に提案されましたが、これは長年研究室でテストされていませんでした。近年、天然のアイススパイクの写真がインターネット上に多数登場し、家庭用冷蔵庫や冷凍庫で蒸留水を凍らせて人工的に生成する方法も公開されています。これにより、少数の科学者が実験室環境で仮説をテストできるようになりました。実験はバリー・ドーシーモデルの妥当性を確認したものの、天然のアイススパイクの形成方法に関するさらなる疑問を提起しており、この現象を完全に理解するにはさらに研究が必要です。天然の氷のスパイクは、典型的なスパイク形状以外の形状に成長することがあり、これらの形状には標準的な命名法がないため、氷のキャンドル、氷の塔、氷の花瓶など、さまざまな名前で呼ばれています。特に珍しい形状は、逆ピラミッド型です。^[1]

自然の氷柱は通常インチまたはセンチメートルで測定されますが、 1963年に凍ったエリー湖をハイキングしたカナダ人のジーン・ヒューザーがハーバークリーク歴史協会のニュースレターに掲載した報告書では、「氷に小さな穴があいていて、その下の水が定期的に圧力を受けて空気中に噴出して凍り」、高さ5フィート（1.5メートル）の「凍った噴出物が湖中に電柱がまっすぐ立っているように見えた」と述べています。^[2]

背景

氷のスパイクは、数十年にわたってまれな自然現象として報告されてきました。^[3]形成メカニズムのモデルは、20世紀初頭にO. BallyとHE Dorseyによって独立して提唱され、これは今日でもこの現象の最も広く受け入れられている説明です。^[4]スパイクは、湖や池などの大きな水域ではなく、水が急速に凍る鳥の水浴び場やペットの水飲みボウルなどの容器で形成される傾向があります。^[5]珍しい氷の形成の写真を表示し、この現象について議論するWebページが多数公開されており、家庭用冷蔵庫の氷に氷のスパイクが形成されるケースが多数報告されています。^[6]^{[7]制御された環境で氷のスパイクを成長させることができるため}、カリフォルニア工科大学の物理学部の研究者は、ケネス・G・リブブレヒトの指導の下で、スパイクの形成に必要な条件について少数の調査を行いました。^[3]^[4]

形成のメカニズム

自然に発生する氷のスパイクは、円形の氷キャンドルや多面体の氷の塔（通常は三角形）の形をしていることが多く、凍った雨水や水道水の容器の中に時々見られます。 ^[8]水は凍って氷になると9％膨張し、その内部構造を反映した氷の結晶の最も単純な形は六角柱です。結晶の上面と下面は六角形の平面で、基底面と呼ばれる方向と垂直な方向はc軸と呼ばれます。^[9]

このプロセスは、表面の水が容器の壁と接する凹凸の周囲で核形成することから始まります。最初に形成される結晶の c 軸が垂直でない場合、基底面は c 軸に垂直な線に沿って表面と交差し、氷の針はこの線に沿って表面を横切って広がる傾向があります。簡単に言えば、表面は端から内側に向かって凍結し、小さな表面の穴だけが凍結せずに残ります。^[9]結晶カーテンは60 度の角度で結合する傾向があるため、穴は三角形になることがよくあります。^[6]表面の氷の下の水が継続的に凍結すると、残りの水がゆっくりと穴から押し上げられます。非常に冷たい空気に達すると、押し出された水の端は凍結しますが、中央は液体のままです。下でさらに凍結すると、より多くの水が押し上げられ、端が凍結し、これが繰り返されます。水の押し出し速度が穴の縁での凍結速度と同じである場合、このプロセスは継続的に繰り返され、連続した層が上向きに成長する氷の管を形成します。^[9]氷柱の形成は、水域の形状、溶解不純物の濃度、気温、水面上の循環に関係しています。^[3]水面下で形成された微結晶から成長する氷柱は、氷床に対して垂直ではなく、急な角度で氷床から突き出ている場合があります。^[5]氷柱の形成はまれで、より一般的には表面が完全に凍結し、表面下の水が凍結すると、表面の氷がすべて上方に押し上げられます。

家庭用冷蔵庫の冷凍室に3つの氷の突起が成長している

家庭用冷蔵庫で作られた角氷には、蒸留水を使って人工的に小さな氷のスパイクを形成することができる。氷のスパイクの形成は、内部の水が膨張し、氷の角氷内部の容積が減少することで水にかかる圧力が高まり、穴を通って氷が押し上げられるという点で、自然に発生するスパイクの形成と似ている。管の成長は、管の上部の水滴が完全に凍ると止まり、これは氷の角氷の残りの水が凍るかなり前である。^[4]この方法では、通常、先端が鋭い断面を持つ円形または三角形の小さなスパイクが生成される。この方法を使用した実験は研究室で行われてきたが、蒸留水以外の水で作られた氷では、水中の不純物がスパイクの形成を阻害するため、スパイクが形成されにくいことがわかっている。^{[注 1]}^[10]これによって、水道水や雨水で自然に発生する氷の突起がどのように形成されるかという疑問が生じ、リブブレヒトとルイは、冷蔵庫で成長する小さな突起の場合、不純物がチューブの上部にある小さな未凍結の液滴に次第に集中し、凍結速度が低下し、チューブの成長が遅くなると示唆している。しかし、彼らは、例外的に大きな突起が自然の屋外の氷層で成長するまれなケースでは、成長するチューブの上部に蓄積する不純物を他の何らかのメカニズムが除去しなければならないと考えている。不純物は、よりゆっくりと凍結するポケットに押し込まれるか、または、より小さな人工的に成長した突起では重要ではない対流によって、チューブの上部の水が下からの真水に置き換わるかのどちらかである。^[3]

カリフォルニア工科大学で行われた研究の結果は、この現象をさらに解明する可能性のある実験を示唆している。^[3]^[4]

参照

説明ノート

^ この現象の主研究者であるリブブレヒト氏は、水道水で作った氷になぜ突起が簡単に発生するのかを説明できないと認めている。

参考文献

^ 「逆ピラミッドの形をした驚くべき氷のスパイクの画像」。氷にスパイクがありますか?カリフォルニア工科大学。2013年1 月 17 日閲覧。
^ カーク、ハロルド。「Due North」。ハーバークリーク歴史協会ニュースレター。トロント大学。 2013年1月17日閲覧。
^ abcde Libbrecht, KG; Lui, K (2003)、実験室で製造された氷のスパイクの調査(PDF)
^ abcd Lederer, Samuel. 「化学添加物の氷スパイク形成への影響」（PDF）。Caltech 。 2013年1月13日閲覧。
^ ab モリス、スティーブン (2007 年 4 月 30 日)。「時々、冷凍庫の製氷皿の中の氷が、特に異常な干渉もなく、石筍のような形になることがあります。原因を説明していただけますか?」。サイエンティフィック・アメリカン。
^ ab Morris, S. 「氷にスパイクはありますか？」非線形物理学グループトロント大学2013年1月13日閲覧。
^ カーター、ジェームズ。「氷の形成と毎日の凍結/解凍サイクル」。イリノイ州立大学地理地質学部。2017年11月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年1月14日閲覧。
^バート、スティーブン（2008 年3月）。「アイスキャンドル」。天気。63 （3）：84。Bibcode ：2008Wthr ...63...84B。doi ：10.1002/wea.212。S2CID 247673172 。
^ abc Schlatter , Tom ; Knight, Dr. Charles (2009年3月～4月)。「天気クエリ」。Weatherwise。62 ( 2): 58–59。Bibcode : 2009Weawi..62b..58S。doi : 10.3200/WEWI.62.2.58-59。S2CID 219611434 。
^ Libbrecht, Kenneth G. 「氷のスパイク...冷凍庫で見つかる奇妙なもの...」雪の結晶カリフォルニア工科大学2013年3月29日閲覧。

さらに読む

バリー、オスカー (1935)。「ユーバー・アイネ・アイゲンアーティゲ・アイスクリスタル・ビルドゥン」。ヘルベチカ・チミカ・アクタ。18 (1): 475–476。土井：10.1002/hlca.19350180164。
ドーシー、ハーバート・グローブ (1921)。「特異な氷の形成」。物理評論。18 (2): 162–4。Bibcode :1921PhRv...18...85.. doi :10.1103/physrev.18.85。
Hallet, J (1959). 「過冷却水の表面における結晶成長とスパイクの形成」(PDF) . Journal of Glaciology . 103 (28): 698–704. 2012年12月2日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2013年7月3日閲覧。
オヘア、マイケル (2007)。「フリーザーティーザー」。ハムスターを化石化する方法: アームチェアサイエンティストのためのその他の驚くべき実験。プロファイルブックス。139、142 ページ。ISBN 978-1846680441。

外部リンク

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[10] この現象の主研究者であるリブブレヒト氏は、水道水で作った氷になぜ突起が簡単に発生するのかを説明できないと認めている。

[1] 「逆ピラミッドの形をした驚くべき氷のスパイクの画像」。氷にスパイクがありますか?カリフォルニア工科大学。2013年1 月 17 日閲覧。

[2] カーク、ハロルド。「Due North」。ハーバークリーク歴史協会ニュースレター。トロント大学。 2013年1月17日閲覧。

[Libbrecht-3] Libbrecht, KG; Lui, K (2003)、実験室で製造された氷のスパイクの調査(PDF)

[Lederer-4] Lederer, Samuel. 「化学添加物の氷スパイク形成への影響」（PDF）。Caltech 。 2013年1月13日閲覧。

[Morris-5] モリス、スティーブン (2007 年 4 月 30 日)。「時々、冷凍庫の製氷皿の中の氷が、特に異常な干渉もなく、石筍のような形になることがあります。原因を説明していただけますか?」。サイエンティフィック・アメリカン。

[utoronto-6] Morris, S. 「氷にスパイクはありますか？」非線形物理学グループトロント大学2013年1月13日閲覧。

[Carter-7] カーター、ジェームズ。「氷の形成と毎日の凍結/解凍サイクル」。イリノイ州立大学地理地質学部。2017年11月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年1月14日閲覧。

[8] ^バート、スティーブン（2008 年3月）。「アイスキャンドル」。天気。63 （3）：84。Bibcode ：2008Wthr ...63...84B。doi ：10.1002/wea.212。S2CID 247673172 。

[Schlatter-9] Schlatter , Tom ; Knight, Dr. Charles (2009年3月～4月)。「天気クエリ」。Weatherwise。62 ( 2): 58–59。Bibcode : 2009Weawi..62b..58S。doi : 10.3200/WEWI.62.2.58-59。S2CID 219611434 。

[11] Libbrecht, Kenneth G. 「氷のスパイク...冷凍庫で見つかる奇妙なもの...」雪の結晶カリフォルニア工科大学2013年3月29日閲覧。