Hostname: page-component-6766d58669-kl59c Total loading time: 0 Render date: 2026-05-25T04:20:33.499Z Has data issue: false hasContentIssue false

Grain Growth in Polar Ice: I. Theory

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

R. B. Alley
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, Department of Geology and Geophysics, University of Wisconsin ‒ Madison, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
J.H. Perepezko
Affiliation:
Department of Metallurgical and Mineral Engineering and Materials Science Program, University of Wisconsin ‒ Madison, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
C.R. Bentley
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, Department of Geology and Geophysics, University of Wisconsin ‒ Madison, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
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Abstract

Many observations regarding grain growth in ice sheets are glaciologically interesting but imperfectly understood. Here we develop the theory of grain growth in ice that is not deforming rapidly, and in the succeeding paper we use this theory to explain observations from glacial ice. In the absence of significant strain energy, the driving force for grain growth arises from grain-boundary curvature. Grain growth is slowed by the interaction of grain boundaries with extrinsic materials (microparticles, bubbles, and dissolved impurities). If the driving force for growth is not large enough to cause boundaries to separate from an extrinsic material, then the grain-boundary velocity is determined by the velocity characteristic of the extrinsic material (low-velocity regime). If the driving force is large enough to cause separation, then boundaries migrate more rapidly than the extrinsic material (high-velocity regime) but the net driving force is reduced through transient pinning by the extrinsic material. Polar ice is typically in the low-velocity regime relative to dissolved impurities and the high-velocity regime relative to microparticles and bubbles. Cross-sectional area of grains is predicted to increase linearly with time under most but not all circumstances.

Résumé

Résumé

De nombreuses observations sur la croissance des grains dans les calottes polaires sont intéressantes du point de vue glaciologique mais pas encore totalement élucidées. Nous développons ici une théorie de croissance des grains dans une glace à déformation faible et dans l’article suivant nous l’utilisons pour expliquer les observations obtenues sur ce type de glace. En l’absence d’énergie de déformation notable, la cause de croissance du grain provient de sa courbure de surface. La croissance du grain est diminué par l’intéraction de sa surface avec des matériaux extrinsèques (microparticules, bulles, et impuretés dissoutes). Si la force majeure de croissance n’est pas suffisante pour séparer la surface du matériel extrinsèque, alors la vitesse de la limite du grain est déterminée par la vitesse caractéristique du matériau extrinsèque (régime de vitesse lente). Au contraire si cette force est suffisante pour assurer la séparation, alors les limites migrent plus rapidement que le matériau (régime de fortes vitesses) mais la force principale est réduite à cause du pincement dû au matériau extrinsèque. La glace polaire se situe typiquement dans un régime de basse vitesse vis à vis des impuretés dissoutes et dans un régime de fortes vitesses quant aux microparticules et aux bulles. On arrive à la conclusion qu’une section droite de grain s’accroît linéairement en fonction du temps dans la plupart des situations.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Viele Beobachtungen zum Kornwachstum in Eisdecken sind glaziologisch interessant, aber ungenügend verstanden. Hier wird die Theorie des Kornwachstums in Eis, das sich nicht schnell verformt, entwickelt; im nächsten Beitrag wird diese Theorie zur Erklärung von Beobachtungen des Gletschereises herangezogen. Wenn keine signifikante Spannungsenergie vorhanden ist, entwickelt sich die Triebkraft für das Kornwachstum aus der Krümmung der Korngrenzflächen. Das Kornwachstum wird durch die Wechselwirkung der Korngrenzflächen mit eingelagerten Materialien (Mikropartikel, Blasen, gelöste Verunreinigungen) verlangsamt. Ist die Triebkraft zum Wachstum nicht stark genug, um die Trennung zwischen Grenzflächen und eingelagertem Material zu bewirken, dann wird die Geschwindigkeit der Korngrenzflächen durch die charakteristische Geschwindigkeit des eingelagerten Materials bestimmt (Zustand der niedrigen Geschwindigkeit). Ist die Triebkraft gross genug, um Trennung zu verursachen, dann wandern die Grenzflächen schneller als das eingelagerte Material (Zustand der hohen Geschwindigkeit), doch wird die Netto-Triebkraft durch vorübergehendes Haften am eingelagerten Material verringert. Polareis befindet sich typisch im Zustand der niedrigen Geschwindigkeit relativ zu gelösten Verunreinigungen und im Zustand der hohen Geschwindigkeit relative zu Mikropartikeln und Blasen. Es lässt sich vorhersagen, dass die Querschnittsfläche von Körnern unter den meisten, aber nicht allen Umständen linear mit der Zeit zunimmt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1. Force balance in microparticle drag. A spherical particle of material B rests on a moving boundary between two grains of A; the boundary is symmetric about the axis shown (dashed line) and moving in the direction indicated. Surface energies γAA and γAB act as forces along interfaces in the directions indicated.

Figure 1

Fig. 2. Relation between intrinsic grain-boundary velocity and velocity in the presence of extrinsic materials in ice. Solid lines indicate behavior likely to occur in natural systems; dashed lines indicate behavior unlikely in Nature but theoretically possible: dotted lines indicate unstable behavior: and dot‒dash lines show intrinsic behavior, (a) Behavior in the presence of microparticles only. (b) Behavior in the presence of low-mobility porosity (bubbles in ice) only. (c) Behavior in the presence of high-mobility porosity (small necks and thermal grooves in firn) only. Notice that transition from low-velocity to high-velocity migration occurs at higher velocities than shown in the figure and involves an increase in velocity. (d) Behavior in the presence of dissolved impurities only.

Figure 2

Fig. 3. Geometry used in model of bubble drag, after Hsueh and others ( 1982),. Bubble and boundary are symmetric about the axis shown (dashed line) and moving in the direction indicated. The equilibrium dihedral angle is ψ(= ψt + ψ) and ψt = π/2 to maximize bubble velocity. Vapor pressure across the bubble is shown schematically, and P0 is the equilibrium vapor pressure over a planar surface. Bubbles in ice are more nearly spherical than shown here.