Att förstå hur sprickor utbreder sig genom is är avgörande för olika områden, såsom kryosfärisk vetenskap, teknik och materialstudier. Ett team av forskare ledda av Dr. Takuya Ikeda från Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) har genomfört en experimentell undersökning för att dechiffrera de grundläggande egenskaperna hos sprickbildning i flerskiktiga isstrukturer. Deras resultat, rapporterade i tidskriften Earth and Planetary Science Letters, ger insikter i den komplexa karaktären av sprickutbredning i dessa system och kan bidra till utformningen av mer robusta strukturer i isiga miljöer.

Forskargruppen tog fram en unik experimentell uppsättning som gjorde det möjligt för dem att skapa väldefinierade flerskiktsprover av fruset flytande vatten, bestående av omväxlande tjocka (cirka 3 mm) och tunna (cirka 0,5 mm) islager. Genom att använda höghastighetsvideografi med 40 000 bilder per sekund fångade de den dynamiska utvecklingen av sprickor när de interagerade med dessa flerskiktiga isstrukturer.

Resultaten avslöjade ett fascinerande beteende av sprickutbredning i tjocka och tunna islager. Sprickor visade distinkta egenskaper beroende på vilket lager de stötte på. I de tjocka lagren fortplantade sig sprickor längs ett enda plan, kallat en "huvudspricka", som förblev stabil. Men när de mötte de tunna lagren uppvisade sprickorna intrikat förgreningsbeteende, som avvek från det ursprungliga planet och följde komplexa banor. Detta förgreningsmönster observerades primärt i det första tunna lagret som påträffades av den framskridande sprickan.

Teamet tillskriver dessa observationer skillnaden i brottseghet mellan de tjocka och tunna lagren. Brottseghet är ett material motståndskraft mot sprickutbredning, och de tjocka islagren hade betydligt högre brottseghet jämfört med de tunna lagren. Denna skillnad fick sprickorna att avvika från sina raka banor i de tunna lagren, vilket ledde till det observerade grenbeteendet.

Dessutom identifierade forskarna ett samband mellan förhållandet mellan tjocka och tunna islagertjocklekar och början av förgrening. När förhållandet ökade, ökade också det kritiska tjockleksförhållandet, bortom vilket förgrening inträffade. Detta tyder på att när tjocka islager blir mer dominerande i förhållande till tunna lager blir det svårare för sprickor att avvika från en rak bana.

Sammanfattningsvis avslöjar denna studie grundläggande aspekter av sprickutbredning i flerskiktiga isstrukturer, och fångar unika egenskaper som uppstår från samspelet mellan lageregenskaper och sprickdynamik. Fynden bidrar inte bara till den teoretiska förståelsen av sprickbeteende utan ger också värdefull information för teknisk praxis i miljöer där isiga förhållanden råder, såsom polarområden, glaciärer, rymdfarkoster och kryogena lagringssystem.