Forskere viser, hvordan revner forplanter sig gennem tykke og tynde lag frosset flydende vand

At forstå, hvordan revner udbreder sig gennem is, er afgørende for forskellige områder, såsom kryosfærisk videnskab, teknik og materialestudier. Et team af forskere ledet af Dr. Takuya Ikeda fra Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) har udført en eksperimentel undersøgelse for at tyde de grundlæggende træk ved revner i flerlags isstrukturer. Deres resultater, rapporteret i tidsskriftet Earth and Planetary Science Letters, giver indsigt i den komplekse karakter af sprækkeudbredelse i disse systemer og kan bidrage til udformningen af ​​mere robuste strukturer i iskolde miljøer.

Forskerholdet udtænkte et unikt eksperimentelt setup, der gjorde det muligt for dem at skabe veldefinerede flerlagsprøver af frosset flydende vand, bestående af skiftevis tykke (ca. 3 mm) og tynde (ca. 0,5 mm) islag. Ved at anvende højhastighedsvideografi med 40.000 billeder i sekundet fangede de den dynamiske udvikling af revner, da de interagerede med disse flerlags isstrukturer.

Resultaterne afslørede en fascinerende adfærd af sprækkeudbredelse i tykke og tynde islag. Revner viste forskellige karakteristika afhængigt af det lag, de stødte på. I de tykke lag forplantede revner sig langs et enkelt plan, kaldet en "hovedrevne", som forblev stabil. Når de stødte på de tynde lag, udviste revnerne imidlertid indviklet forgreningsadfærd, der afveg fra det oprindelige plan og fulgte komplekse stier. Dette forgreningsmønster blev primært observeret i det første tynde lag, som den fremadskridende revne stødte på.

Holdet tilskriver disse observationer forskellen i brudsejhed mellem de tykke og tynde lag. Brudsejhed er et materiales modstandsdygtighed over for revneudbredelse, og de tykke islag havde signifikant højere brudsejhed sammenlignet med de tynde lag. Denne forskel fik revnerne til at afvige fra deres lige veje i de tynde lag, hvilket førte til den observerede forgreningsadfærd.

Desuden identificerede forskerne en sammenhæng mellem forholdet mellem tykt og tyndt islags tykkelse og begyndelsen af ​​forgrening. Efterhånden som forholdet steg, steg det kritiske tykkelsesforhold, ud over hvilket forgrening fandt sted, også. Dette indikerer, at efterhånden som tykke islag bliver mere dominerende i forhold til tynde lag, bliver det sværere for sprækker at afvige fra en lige vej.

Som konklusion afslører denne undersøgelse grundlæggende aspekter af sprækkeudbredelse i flerlags isstrukturer, og fanger unikke egenskaber, der opstår fra samspillet mellem lagegenskaber og sprækkedynamik. Resultaterne bidrager ikke kun til den teoretiske forståelse af sprækkeadfærd, men giver også værdifuld information til ingeniørpraksis i miljøer, hvor iskolde forhold hersker, såsom polare områder, gletsjere, rumfartøjer og kryogene lagringssystemer.