氷のスパイク
凍った水面から氷が上向きに突き出ている

クラシックスパイクフォーム
アイスキャンドルフォーム
逆ピラミッド型

アイススパイクとは、凍った水面から上向きに突き出た 氷の形成物で、逆さまのつららの形をしていることが多いです。

小さな凍った水面の表面に自然のプロセス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るその形成メカニズムは、20世紀初頭に提唱されましたが、これは長年実験室で検証されていませんでした。2013年の時点で[アップデート]、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、家庭用の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検証できるようになり、実験はバリー・ドーシーモデルの妥当性を確認するように見えますが、天然のアイススパイクがどのように形成されるかについての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多くの研究が必要です。

天然の氷柱は、典型的な氷柱形状以外にも成長する可能性があり、アイスキャンドル、アイスタワー、アイス花瓶など様々な名称で呼ばれています。これらの形状には標準的な名称がないため、特に珍しい形状として逆ピラミッド型があります。[1]

自然の氷柱は通常センチメートルかインチで測られるが、 1963年に凍ったエリー湖をハイキングしたカナダ人ジーン・ハウザーがハーバー・クリーク歴史協会のニュースレターに掲載した報告書には、「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き出して凍り」、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」と記されている。[2]

背景

氷柱は数十年にわたり、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・バリーとH・E・ドーシーによって独立して提唱され、今日でもこの現象の最も広く受け入れられている説明となっています。[4]氷柱は、湖や池などの大きな水域よりも、水が急速に凍結する鳥の水盤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] [6]珍しい氷の形成の写真を掲載し、この現象について議論するウェブページが多数公開されており、家庭用冷蔵庫の氷に氷柱が形成される事例も数多く報告されています。[7] [8]制御された環境で氷柱を成長させることができることから、カリフォルニア工科大学物理学部のケネス・G・リブレヒト教授の指導の下、研究者たちは氷柱の形成に必要な条件についていくつかの調査を行いました。[3] [4]

形成のメカニズム

水は凍ると9%膨張します。時折、小さな穴を除いて表面全体が凍ることがあります。表面の氷の下の水は、凍結と膨張を繰り返し、残りの水をゆっくりと穴から押し上げます。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。さらに下が凍結すると、さらに多くの水が押し上げられ、端も凍結し、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れば、このプロセスは継続的に繰り返され、層が積み重なって上向きに成長する氷の管を形成します。雪片と同様に、管の形状は水の分子的性質によって制御されます。[9]氷結晶の内部構造を反映した最も単純な形状は六 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はc軸と呼ばれます。[9]

このプロセスは、表面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]結晶のカーテンは60度の角度で接合する傾向があるため、穴は三角形になることが多いです。[7]氷のスパイクの形成は、水域の形状、溶解不純物の濃度、気温、水面上の循環に関連しています。[3]水面下で形成された結晶から成長するスパイクは、氷床に対して垂直ではなく、急角度で突出する場合があります。[5]氷のスパイク形成プロセスはまれであり、より一般的には表面全体が凍結し、表面下の水が凍結するにつれて、表面の氷がすべて押し上げられます。

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る氷のスパイクは、プラスチック製の製氷皿に蒸留水を入れて人工的に作ることができます。スパイクの形成は、内部の水の膨張と氷塊内部の容積の減少により水にかかる圧力が高まり、穴から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ます。管の成長は管の上部の水滴が完全に凍ると止まりますが、これは氷塊内の残りの水が凍るかなり前です。[4]この方法で作られるスパイクは通常、断面が円形または三角形で先端が鋭い小さなスパイクです。この方法を使用した実験は研究室で行われてきましたが、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分かっています。[注 1] [10]このことから、水道水や雨水で自然発生する氷のスパイクがどのように形成されるのかという疑問が生じます。リブブレヒトとルイは、冷蔵庫で成長する小さなスパイクの場合、チューブ上部の小さな未凍結液滴に不純物が徐々に濃縮され、凍結速度が低下し、ひいてはチューブの成長が遅くなると示唆しています。しかし、彼らは、ごくまれに例外的に大きなスパイクが自然の屋外の氷層で成長する場合には、成長中のチューブ上部に蓄積する不純物を何らかの別のメカニズムが除去するはずだと考えています。不純物は凍結速度の遅いポケットに押し込まれるか、あるいは、人工的に成長した小さなスパイクでは無視できる対流によって、チューブ上部の水が下からの淡水に置き換わると考えられます。[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でき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

  1. ^ この現象の主任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

  1. ^ 「逆ピラミッド型をした驚くべき氷のスパイクの画像」。「氷にスパイクはいかがですか？」カリフォルニア工科大学。2016年11月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 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. 2016年11月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年1月17日閲覧。
  3. ^ abcde Libbrecht, KG; Lui, K (2003), An Investigation of Laboratory-Grown Ice Spikes (PDF) , archived (PDF) from the original on 23 April 2016 , retrieved 17 July 2005
  4. ^ abcd Lederer, Samuel. 「化学添加剤による氷のスパイク形成への影響​​」(PDF) . Caltech. 2015年7月24日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2013年1月13日閲覧。
  5. ^ ab Morris, Stephen (2007年4月30日). 「冷凍庫の製氷皿の中の氷が、特に異常な点もなく、時々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？」Scientific American . 2013年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年1月17日閲覧。
  6. ^ バート、スティーブン（2008年3月）「アイスキャンドル」天気誌63 ( 3): 84.書誌コード:2008Wthr...63...84B. doi :10.1002/wea.212. S2CID  247673172.
  7. ^ ab Morris, S. 「氷にスパイクはついているのか？」非線形物理学グループトロント大学. 2017年3月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年1月13日閲覧。
  8. ^ カーター、ジェームズ. 「氷床と日周凍結融解サイクル」.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。
  9. ^ abc Schlatter, Tom; Knight, Dr. Charles (2009年3月～4月). 「天気予報」. Weatherwise 62 ( 2): 58– 59. Bibcode :2009Weawi..62b..58S. doi :10.3200/WEWI.62.2.58-59. S2CID  219611434.
  10. ^ 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』 Caltech. 2017年7月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 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。ビブコード:1935HChAc..18..475B。土井：10.1002/hlca.19350180164。
  • ドーシー、ハーバート・グローブ (1921). 「特異な氷床」.フィジカル・レビュー. 18 (2): 162–4 .書誌コード:1921PhRv...18...85.. doi :10.1103/physrev.18.85.
  • Hallet, J (1959). 「過冷却水表面における結晶成長とスパイク形成」(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させる方法：アームチェアサイエンティストのための驚くべき実験. プロファイルブックス. pp. 139, 142. ISBN 978-1846680441。
  • ウィキメディア・コモンズの「氷柱（カテゴリ）」に関連するメディア
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