Observation, Experiment, and Analysis of the Ice Spikes Formation

In this study, from January 2006 to February 2009, we observed 107 ice spikes formed in a natural state, and analyzed their environment. We developed an experimental device to reproduce ice spikes in laboratory and successfully made 531 ice spikes. We analyzed the process of the formation and the principle of how those ice spikes grow through videotaped data of the formation in the experiment. In the natural world, when the surface of water and the lower part of a vessel begin to freeze, a vent (breathing hole) develops at the surface where an ice is not frozen; this vent serves as the seed of an ice spike. It is assumed that the volume expansion of ice in the vessel which occurs when water freezes makes the supercooled water go upward through the vent and becomes an ice bar called an ice spike. In the laboratory, however, when distilled water is poured into an ice tray cube and kept in the experimental device for about one and a half hours at a temperature of -12- $-13^{\circ}C$, a thin layer of ice then begins to develop on the surface of the water, the vent is formed, and ice spikes form for about 10-30 minutes. These spikes stop growing when the end becomes clogged. Ice spikes can be described as falling into seven categories of shape, with the apex type topping the list followed by the slant type in the natural state and the vertical type predominating in the laboratory.

솟는 고드름의 형성과정에 관한 관찰, 실험 및 분석

본 연구에서는 2006년 1월부터 2009년 2월까지 자연 상태에서 만들어진 솟는 고드름(n=107)을 관측, 분석하여 실험실에서 솟는 고드름을 재현할 수 있는 실험 장치를 개발했다. 이 장치를 이용하여 동영상 관측과 실험(531개의 솟는 고드름 생성)을 통해 그 생성과 성장 원리를 연구했다. 용기의 아래 부분이 위쪽 보다 더 차가운 상태에서 용기 바닥과 물 표면에서부터 얼음이 얼기 시작하는데, 표면에서 얼음이 얼지 않는 부분을 숨구멍이라고 하며 이곳으로부터 솟는 고드름이 만들어지기 시작한다. 솟는 고드름이 만들어지기 시작한 후 계속 성장하기 위해서는 용기 하부의 물이 얼음으로 변할 때의 부피 팽창 효과와 숨구멍을 통해 올라오는 과냉각수의 빠른 빙결 효과 등이 관련된다. 실험 장치에서 아이스 트레이 큐브에 증류수를 넣고, -12- $-13^{\circ}C$의 온도를 약 1시간 30분 정도 유지시키면 수면에 살얼음과 숨구멍이 생기기 시작한다. 숨구멍으로부터 생기기 시작한 솟는 고드름은 10-30분 동안 성장하고, 끝이 막히면서 성장을 멈춘다. 솟는 고드름의 형태는 7가지로 분류되며 자연 상태에서는 꼭지형과 기운형이 많았고, 실험실에서는 수직형이 가장 많았다.