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「異なった壊れ方をする」温かい氷と冷たい氷

暖かい氷、つまり摂氏0度に非常に近い氷が、研究室や自然界で一般的に研究されている種類の氷とは異なる方法で破壊される可能性があるという強力な証拠を、フィンランドのアールト大学の研究者らが発見しました。

Under the conditions provided, however, the ice behaved in an unexpected way: it showed some elastic recovery but no significant viscoelastic recovery at all.

参照元：https://www.aalto.fi/en/news/warm-ice-may-fracture-differently-than-cold-ice
– アールト大学 Aalto University. 26.5.2021 –

The Cryosphere』誌に掲載された新しい研究では、アールト大学のキャンパスにある世界最大の屋内氷蓄熱槽で研究されたこの現象を詳しく調べています。

氷がどのように砕けるのかを理解することは、冷涼な気候の港や橋を安全に保つためにも、また、歴史的に氷の多い地域を通過する交通手段を確保するためにも重要です。

地球温暖化の影響で、かつては予測可能だった季節の状況が変化しているため、インフラ工学を支えるルールが、国境や大陸を越えて試されているのです。

論文の主執筆者でアールト大学の博士課程に在籍するIman El Gharamti氏は話します。

「暖かい氷を研究する必要があるのは、それが自然界で見られることであり、地球温暖化が起こっているからです。氷の力学的特性や力への反応は、従来の研究対象である冷たい氷ではなく、温かい氷では根本的に異なる可能性があります。」

暖かい氷が、繰り返し力を加えられたときにどのように反応するかを調べるために、研究チームはアールト大学の「アイスタンク」を利用しました。

幅40メートル、長さ40メートル、深さ2.8メートルの氷槽は、この種のものとしては最大規模とされています。

通常、氷の割れ目の研究は、摂氏マイナス10度以下の環境で、長さ10～20cm程度の小さなスケールで行われることが多い。

今回の研究では、3メートル×6メートルの大きさの真水に、厚さ1フィート以上の氷板を使用しました。

また、周囲の空気の温度も正確にコントロールし、氷の温度は冷凍状態で-0.3℃と暖かいものでした。

油圧式の積み込み装置を使って、氷の上で何度も積み込みと積み下ろしを繰り返しました。

現在の研究では、少なくとも氷が完全に割れるほどの力を装置にかけるまでは、氷は荷重をかけるたびに粘弾性回復（即時弾性反応とは別に、時間的に遅れた弾性反応）を示すとされています。

しかし、与えられた条件では、氷は予想外の挙動を示しました。

弾性回復は見られたが、大きな粘弾性回復は全く見られなかったのです。

実際、氷は永久に変形したままだったのです。

機械的な負荷をかけたときによく見られるのは、氷が回復することです。

つまり、意図的に大きな力をかけて永久に割れないようにするまで、氷は通常の形成に戻るのです。

El Gharamti氏は説明します。

「今回の研究では、負荷をかけるたびに氷の変形が進み、弾性回復の遅れは見られませんでした。」

その主な要因は、氷の温度にあるようです。

今回の研究は、暖かい氷が、通常研究されている冷たい氷とは根本的に異なる挙動を示す可能性があることを示した初めての研究です。

氷が遅延弾性反応を示さなかったという事実は、氷が繰り返しの力に対処する方法に関する従来の理解とは一致しません。

アールト大学の固体力学教授であるJukka Tuhkuri氏は話します。

「この現象は、氷の粒度が暖かいときにどのように振る舞うかによるものだと考えていますが、その原因を解明するにはまだ研究が必要です。」

世界で最も交通量の多い海域の1つである五大湖やバルト海のような以前は極寒だった地域では、より暖かい状況が予想されるようになっているため、Tuhkuri氏は暖かい氷の力学を理解することが重要だと言います。

Tuhkuri氏は話します。

「バルト海の砕氷船で長期的に氷の荷重を測定したところ、驚くべきことに、天候が暖かくなる春に最も大きな氷の荷重が発生することがわかったことがあります。私たちの船や、橋や風力発電機などのインフラが、かなり予測可能な季節を想定して設計されているとすれば、地球温暖化によって新たな条件がもたらされたときに何が起こるのかを知る必要があります。これまでのルールは通用しないかもしれません。」

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