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Stress-Generated Ice Crystals in a Nearly Isothermal Two-Phase System*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

E. LaChapelle*
Affiliation:
Department of Atmospheric Sciences, University of Washington, Seattle, Washington 98105, U.S.A.
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Abstract

The use of the two-phase system ice–water to illustrate the effects on equilibrium of both hydrostatic and non-hydrostatic stresses has been a recurrent theme in the history of thermodynamic theory. The effects of hydrostatic pressure on the melting point of ice are firmly established by theory and experiment. Those of non-hydrostatic stress are still a subject of debate today; several theorists have predicted ice re-crystallization under such stress, but the magnitude of any slight melting-point depression is not known with certainty. The recrystallization of ice caused by local variations in hydrostatic stress was predicted and experimentally confirmed over a century ago. Cavities deep within temperate glaciers provide a suitable environment for the occurrence of this latter phenomenon. A water-filled cavity intersected by a tunnel in nearly stagnant ice of the Blue Glacier, Washington State, U.S.A., was lined with large and unusual single ice crystals which apparently owe their origin to the effects of hydrostatic stress. Even the minute differences in pressure melting point around this cavity are adequate to remove the heat of fusion as ice forms within it. There is evidence that interstitial movement of melt water in the surrounding ice also contributes to the heat and mass transfer. The form of these crystals indicates that they grew into slightly supercooled water. It is suggested that this growth pattern is sustained by the existence of oriented stresses at the cavity walls.

Cristaux de glace formés sous contrainte dans un système quasi-isotherme à deux phases. L′utilisation d′un système à deux phases glace–eau pour illustrer les effets sur l′équilibre à la fois des forces hydrostatiques et non hydrostatiques a été un thème permanent dans l′histoire de la théorie thermodynamique. Les effets de la pression hydrostatique sur le point de fusion de la glace sont fermement établis par la théorie et l′expérience. Ceux des forces non hydrostatiques sont toujours un sujet de discussion aujourd′hui; plusieurs théoriciens ont prévu la recristallisation sous une telle contrainte, mais la grandeur de quelque faible dépression du point de fusion n′est pas connue avec certitude. La recristallisation de la glace causée par des variations locales de la force hydrostatique a été prévue et confirmée expérimentalement depuis plus d′un siècle. Des cavités profondes dans les glaciers tempérés constituent un environnement adéquat pour l′apparition de ce dernier phénomène. Une cavité pleine d′eau intersectée par un tunnel dans la glace pratiquement stagnante du Blue Glacier, Etat de Washington. U.S.A., était marquée par des lignes de larges et inhabituels monocristaux de glace qui apparemment doivent leur origine aux effets de la pression hydrostatique. Seuies les faibles différences de pression du point de fusion autour de cette cavité sont capables d′absorber la chaleur de fusion de la glace qui se forme en elle. Evidemment le mouvement de l′eau de fusion interstitielle dans la glace environnante contribue aussi au transfert de chaleur et de masse. La forme de ces cristaux indique que leur croissance s′est effectuée dans de l′eau légèrement surfondue. II est suggéré que ces formes de croissance sont conditionnées par l′existence de contraintes orientées sur les parois de la cavité.

Zusammenfassng

Zusammenfassng

Eis-Kristalle, erzeugt durch Druckkräfte in einem nahezu isothermen Zweiphaseruystem. Das Zweiphasensystem Eis-Wasser wurde in der historischen Entwicklung der Thermodynamik wiederholt als Beispiel für die Effekte hydrostatischer und nicht-hydrostatischer Drucke herangezogen, Die Effekte des hydrostatischen Drucks auf den Schmelzpunkt des Eises sind experimentell wie theoretisch gründlich behandelt und erklärt worden; die des nicht-hydrostatischen Druckes hingegen sind bis heute Gegenstand wissenschaftlicher Diskussion geblieben. Mehrere Theoretiker haben die Rekristallisation unter solchen Drucken vorausberechnet, ohne jedoch zu einer sicheren Aussage über die Grösse der Schmelzpunkt-depression zu gelangen. Die Rekristallisation des Eises als Folge lokaler Variationen des hydrostatischen Druckes wurde vor mehr als einem Jahrhundert vorausgesagt und experimentell nachgewiesen. Hohlräume tief im Inneren eines temperierten Gletschers bieten geeignete Bedingungen für das Auftreten dieses Phänomens. Bei den Bohrarbeiten am Blue Glacier, Washington, USA, in einem Tunnel durch nahezu bewegungsloses Eis wurde ein wassergefüllter Hohlraum angeschnitten, dessen innenfläche von grossen und ungewöhnlich geformten Eiskristallen besetzt war, deren Ursprung vermutlich in solchen hydrostatischen Differentialdrucken zu suchen ist. Es lässt sich zeigen, dass die extrem kleinen Schmelzpunktsdifferenzen in der Nähe des Hohlraumes genügen, um die bei der Kristallisation freiwerdende Schmelzwärme abzuführen. Gewisse Umstände deuten darauf hin, dass auch die Bewegung interkristallinen Schmelzwassers im umgebenden Eis zum Wärme- und Massentransport beiträgt. Die Form der Kristalle zeigt. an dass ihr Wachstum in leicht unterkühltem Wasser erfolgte: sie ist vermutlich eine Folge anisotroper Spannungen in der Wand des Hohlraumes.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1968
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Fig. 1. Large. irregular, single crystal formed in the water-filled Blue Glacier ice cavity

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Fig. 2. Branched single ice crystal from the Blue Glacier ice cavity

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Fig. 3. Branched ice crystals in situ after water was drained from the cavity intersected by the 1966 Blue Glacier ice tunnel

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Fig. 4. “Mushroom” ice crystals growing from the Blue Glacier cavity wall. These are single crystals with c-axis parallel to the “stems”

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Fig. 5. Ice accretion formed over the winter on wall of 1966 Blue Glacier tunnel. Smaller accretions, or bumps, are seen in the foreground. Scale is given by pick of an ice-axe

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Fig. 6. Ice accretions with suspended icicles on wall of the large cavity intersected by the 1966 Blue Glacier ice tunnel. Photograph token in July 1967

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Fig. 7. Large ice accretions along. foliation plane in wall of cavity intersected by the 1966 Blue Glacier ice tunnel. The ice formations developed over a period of nearly a year while the cavity was empty of water. Photograph taken in July 1967

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Fig. 8. Cylindrical, single-crystal icicles hanging from roof of the 1966 Blue Glacier tunnel. These icicles formed over the winter and were photographed in 1967

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Fig. 9. Heat flow from a spherical ice cavity two meters in diameter, in ice under 1 bar overburden pressure, if zone of undisturbed hydrostatic pressure is distance x from cavity wall