過冷却水から成長する氷結晶の形態形成機構 Pattern formation mechanism in growth of an ice crystal in supercooled water

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抄録

過冷却水から成長する氷結晶は,最初は薄い円盤状に成長するが,やがて形態不安定を起こし,以後は樹枝状結晶として成長する.これらの氷結晶は厚さが非常に薄いため二次元的に扱われてきたが,現実の結晶は三次元である.そこでマッハツェンダー干渉計を用いて氷結晶の成長を"その場"観察した.得られた干渉縞から三次元的な形態を解析し,また形態不安定発生機構,円盤状・樹枝状の成長機構を調べた.円盤状結晶は二枚の基底面で挟まれており,基底面の成長が「界面キネティクス」によって律速されているのに対し,側面は「熱拡散」で律速されていた.また,形態不安定発生の臨界値は半径ではなく厚みであり,発生する揺らぎも円周上ではなく厚み方向の形状が先に非対称になることがわかった.一方,樹枝状結晶は一枚の平らな基底面と高次の曲面で構成されており,樹枝先端の成長速度は「熱・物質拡散」と「界面張力」を考慮した普遍法則と一致するが,先端曲率半径は一致しなかった.従って,過冷却水から成長する氷結晶の形態を理解するためには,上記の二要素に「界面キネティクス」を加えた三要素すべての考慮が必要であることが明らかになった.

The morphology of an ice crystal changes from a thin disk, to a perturbed disk and finally to a dendrite with hexagonal symmetry. Since the thickness is very small, ice crystals have been analyzed in two dimensions. Therefore, we carried out in-situ observations of ice crystals growing in supercooled pure water using a new experimental apparatus combined with a MachZehender interferometer. Three-dimensional patterns of ice crystals were analyzed by the interference fringes obtained. The crystal growth process was found to occur in two stages, namely, disk growth and dendritic growth stages. In the first stage, we found that the trajectories of disk growth were categorized in two types, depending on the growth mechanism of basal interfaces. Furthermore we found that the critical factor of morphological instability on the ice disk is not its radius, but its thickness. We also found that the three dimensional pattern of ice is very asymmetric in the direction of the c-axis. In the second stage, the supercooling temperature dependence of growth rates at the dendrite tips is consistent with the universal law of dendritic growth, in which the effects of thermal diffusion and interfacial tension are taken into account, but that of the tip radii is not. These results mean that the effect of interfacial kinetics is intrinsically important to understand the pattern formation mechanism of ice.

収録刊行物

  • 雪氷

    雪氷 64(3), 249-257, 2002-05-15

    The Japanese Society of Snow and Ice

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各種コード

  • NII論文ID(NAID)
    10008434407
  • NII書誌ID(NCID)
    AN00131221
  • 本文言語コード
    JPN
  • 資料種別
    ART
  • ISSN
    03731006
  • NDL 記事登録ID
    6169985
  • NDL 雑誌分類
    ZM43(科学技術--地球科学--気象)
  • NDL 請求記号
    Z15-23
  • データ提供元
    CJP書誌  NDL  J-STAGE 
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