итоговый отчет
.pdfпроцессов разрушения твердых тел) разброс времен ожидания зарождения микротрещин в головах заблокированных скоплений, подготавливая, переход системы в состояние самоорганизующейся критичности.
Таким образом, на основе статистического и фрактального анализа установлено, что эволюция пространственно-временной структуры мезо- и макротрещин в деформируемом поликристаллическом льде демонстрирует тенденцию к состоянию самоорганизующейся критичности, которое характерно для таких явлений, как землетрясения. В последнем случае, как известно, соблюдается эмпирический закон Гутенберга-Рихтера [311]
статистического распределения сейсмических толчков, который считается одним из критериев СОК. Показано, что измерение и анализ сигнала ЭМЭ ледяного образца,
подвергнутого линейно возрастающей механической нагрузке позволяет исследовать с высоким временным разрешением лавинообразные события структурной релаксации в деформируемом образце.
131
12. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ ФОРМ РОСТА ЛЬДА В ПЕРЕОХЛАЖДЕННОЙ ПРЕСНОЙ И МОРСКОЙ ВОДЕ
Исследовали кинетику и морфологию роста льда в переохлажденной воде в области гетерогенного механизма зарождения. В результате было обнаружено, что при росте льда в бидистиллированной воде возникают неравновесные ростовые структуры льда в следующей последовательность по мере увеличения степени переохлаждения: гладкий диск, диск с выступами, густая ветвистая морфология, дендрит, отдельные иглы, разветвленные игольчатые структуры, компактная игольчатая структура, пластина.
Кинетические и морфологические особенности этих структур систематизированы в виде кинетической морфологической диаграммы – зависимости скорости роста наибыстрейшего элемента структуры от исходного переохлаждения (Рисунок 12.1).
Рисунок 12.1 − Кинетическая морфологическая диаграмма неравновесных форм роста льда в чистой переохлажденной воде. 1 - густая ветвистая структура, 2 - дендрит, 3 - морфологически устойчивая игла, 4 – игольчатая ветка, 5 – компактная игольчатая структура, 6 – пластина.
132
Видно, что: 1) структуры неравновесного роста льда в переохлажденной воде можно разбить на две группы (гладкие – с евклидовой формой межфазной границы лед-вода и фрактальные – имеющие ярко выраженные фрактальные формы межфазной границы); 2) существуют области переохлаждения, в которых наблюдается сосуществование одновременно нескольких морфологий роста (в области переохлаждений 4.5< T <7.5 К одновременно возможен рост отдельных гладких игл и игольчатых веток, а в области переохлаждений 8< T <12 К – одновременное сосуществование трех структур (игольчатых веток, компактных игольчатых структур и пластин). Обнаружено, что при прочих равных условиях реализуется структура, реализующая наибольшую скорость роста.
Рисунок 12.2 − Основные формы неравновесного роста льда в морской воде.
133
Как известно, скорость роста новой фазы при кристаллизации из расплава определяется как исходным переохлаждением, так и степенью засоленности (наличием солей, растворенных в воде).
Поэтому интерес представляет исследование морфологических структур неравновесного роста льда в морской воде. Было обнаружено, что по мере увеличения исходного переохлаждения морской воды в ней, так же как и в пресной возникают различные морфологические структуры от дендритов до компактных игольчатых структур (Рисунок 12.2). При этом наблюдается несколько большее разнообразие фрактальных (сильно разветвленных) структур, нежели в пресной воде. На риунке. 12.3 и 12.4 представлены структуры, основным элементом которых являются игольчатые ветки и дендритоподобные структуры соответственно.
Рисунок 12.3 − Игольчатые ветки, возникающие при росте льда в морской воде. 134
Рисунок 12.4 − Дендритные структуры в пресной и морской воде.
Замечательным отличием структур, растущих в морской воде, от структур, возникающих в пресной воде, является широкий диапазон углов ветвления структур. Если в пресной воде, как правило наблюдаются 60-градусные структуры, то для структур в морской воде угол ветвления, лежащий в диапазоне от 45 до 60 градусов – обычное явление. Кроме того, встречаются дендриты с боковыми ветвями, растущими под прямым углом к основному стволу (Рисунок 12.4), а также игольчатые ветки с отрицательным углом ветвления (Рисунок 12.3).
135
При больших переохлаждениях (на 12 К) в морской воде формируется «пластина», состоящая из очень плотно расположенных элементов. Основным отличием от пластины в пресной воде является существенная нестационарность в кинетике роста и фрактальность формы межфазной границы морская вода – лед (Рисунок 12.5). Нестабильность фазовой границы, как представляется, обусловлена сложной динамикой примеси на фазовой границе.
Рисунок 12.5 − Типичные формы контуров «пластины» льда, растущей в морской воде.
136
Данные исследования кинетики и морфологии неравновесного роста льда в морской воде были нанесены на кинетическую морфологическую диаграмму совместно с данными по пресной воде (Рисунок 12.6). Видно, что структуры морского льда, аналогичные структурам роста льда в пресной воде, имеют меньшую скорость роста, что обусловлено затрудненным образованием критических зародышей в воде с большим содержанием примеси на фазовой границе. Увеличенная соленость вблизи фазовой границы способствует эффективному увеличению энергии критического зародыша, и как следствие к увеличению критического переохлаждения на границе.
Рисунок 12.6 − Кинетические морфологические диаграммы структур роста льда в пресной и морской воде. 1 – дендрит, 2. игла, 3 – разветвленная игольчатая структура, 4 компактная игольчатая структура, 5 – пластина. Прозрачные фигуры соответствуют пресной воде, закрашенные – морской.
137
Видеофильмирование роста пластины в переохлажденной морской воде (Рисунок 12.7) синхронно с регистрацией электромагнитного сигнала, сопровождающего этот процесс, позволило поставить в соответствие особенностям электромагнитного сигнала особенности динамики фронта кристаллизации. (Рисунок 12.8).
Рисунок 12.7 − Эволюция фронта кристаллизации морской воды при переохлаждении
T =11.2 К.
138
Рисунок 12.8 − Исследование кинетики кристаллизации морской воды оптическим и электромагнитным методами: V (t) - зависимость от времени объема образовавшегося
льда; ϕ(t) потенциал электромагнитного сигнала на зонде, расположенном вблизи кристаллизующейся пробы.
Из рисунка 12.8 видно, что начало роста льда в морской воде сопровождается нестационарным импульсным электромагнитным излучением. В отличие от аналогичной картины для электромагнитного сигнала при кристаллизации пресной воды. Электромагнитный сигнал при росте льда в морской воде более неустойчив.
Таким образом, обнаружено, что фазовая граница лед-морская вода более неустойчива по сравнению с пресной водой. В основном наблюдаются разветвленные фрактальные формы роста. Большое разнообразие демонстрируют игольчатые ветки (пять видов). Более низкая подвижность фазовой границы лед-морская вода по сравнению с пресной обусловлена концентрационным переохлаждением из-за выталкивания примесей в жидкую фазу, которые понижают переохлаждение воды, а также с эффектом увлечения примесей фазовой границей, что создает дополнительное сопротивление росту льда. Предполагается, что фазовая граница лед-морская вода более неустойчива из-за более высокой степени неоднородности на молекулярном и наноуровне кластерной структуры морской воды по сравнению с пресной.
139
13. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ |
ТЕСТИРОВАНИЕ |
МЕХАНИЗМОВ |
ВЕТВЛЕНИЯ ДЕНДРИТНЫХ КРИСТАЛОВ ЛЬДА
Происхождение боковых ветвей дендритов связано с проявлением диффузионной
неустойчивости: с ростом скорости υ плоского фронта кристаллизации, последний
оказывается неустойчивым к бесконечно малым деформациям с длиной волны, большей характеристической длины волны стабильности λs = 2π(d0lD )1
2 , где lD – диффузионная
длина, а d0 – капиллярная длина [138]. Источник первоначальных возмущений,
необходимых для образования боковых ветвей, длительное время является предметом дискуссий. Обычно рассматривается два основных сценария возникновения первоначального возмущения: осцилляции скорости вершины дендрита [123] и селективное усиление теплового шума, приложенного к вершине дендрита [139, 141].
Основная идея метода учета влияния теплового шума на рост кристалла состоит в добавлении к уравнению теплопроводности флуктуирующего теплового источника.
Впервые этот метод был описан Черепановой [313], а затем существенно развит Зельдовичем с соавторами [191] применительно к исследованию неустойчивости фронта диффузионного горения. Пьетерс и Лангер [186] предположили, что боковые ветви дендрита могут генерироваться за счет селективного усиления теплового шума, приложенного к локально устойчивой вершине. Аналитические расчеты Лангера [141] для трехмерных симметричных дендритов дали заниженное (почти на порядок) значение амплитуды деформации в виде боковых ветвей по сравнению с экспериментально наблюдаемой.
Дальнейшее развитие теории образования боковых ветвей дендритов связано с учетом анизотропии поверхностных свойств фазовой границы, который приводит к несимметричным формам кристалла. Такой подход, развитый в [139], дает более реалистичные скорости роста боковых ветвей.
Механизм селективного усиления шума был верифицирован в ряде экспериментальных работ. Догерти с соавторами [200] исследовали рост дендритов NH4Br из пересыщенного водного раствора. Они показали, что эволюция боковых ветвей на противоположных сторонах дендрита слабо скоррелирована, а среднее расстояние между боковыми ветвями, измеренное в единицах радиуса вершины, является скейлинговым параметром, не зависящим от переохлаждения. Эти результаты согласуются с моделью образования боковых ветвей, основанной на селективном усилении теплового шума.
140