Hostname: page-component-6766d58669-kn6lq Total loading time: 0 Render date: 2026-05-21T12:40:40.037Z Has data issue: false hasContentIssue false

In-Situ Measurements of the Activation Energy for D.C. Conduction in Polar ice*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Charles R. Bently*
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, University of Wisconsin‒ Madison, Weeks Hall, 1215 W. Dayton Street, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Electrical resistivity measurements were carried out at station J9 on the Ross Ice Shelf where temperature measurements were available to a depth exceeding three-quarters of the thickness of the shelf. As in a previously published study at a point about 30 km up-steam (Bentley, 1977), the apparent resistivities fit well to a model based upon a steady-state ice shelf with zero bottom balance-rate and an apparent activation energy in the solid ice of 0.15 to 0.25 eV (14–24. kJ mol−1), with preference for the lower end of the range. This model also fits the observed temperature data almost perfectly. Causes of resistivity variation with depth other than the temperature, such as impurity content, metamorphic history, grain size and crystal orientation, probably do not strongly affect the resistivity depth function. Our conclusion is that the true activation energy in the solid ice is less than 0.25 eV (24 kJ mol−1) and perhaps as small as 0.15 eV (14 kJ mol−1), although a reduction by a factor of two or three in the ionic impurity concentration between 50 and 250 m depth cannot be entirely ruled out as a cause of the low apparent temperature effect. A note added in proof indicates that Herron and Langway (in press) have, in fact, reported a decrease in Na+ concentration with increasing depth by a factor of two or three.

Résumé

Résumé

Des mesures de résistivité électrique ont été conduites à la station J9 de la platforme de glace de Ross où l’on disposait de mesures de températures jusqu’ à une profondeur excédant les trois quarts de l’épaisseur de la platforme Comme dans une étude déjà publiée, portant sur un point d’environ 30 km à l’amont (Bentley, 1977) les résistivités apparentes cadrent bien avec un modèle basé sur un état d'équilibre de la platforme avec un bilan nul au fond et une énergie apparente d’activation dans la glace solide de 0,15 à 0,25 eV (14-24 kJ mol−1), avec plutôt un décalage vers le bas de la gamme. Ce modèle cadre aussi parfaitement avec les données observées de température. Les causes de variation de résistivité autres que la température, telles que la teneur en impuretés, I’ historique de la métamorphose, la dimension des grains et l’orientation des cristaux, n’ont probablement pas une forte influence sur la relation température-résistivité. Notre conclusion est que la véritable énergie d’activation dans la glace solide est inférieure à 0,25 eV (24 kJ mol−1) et peut descendre jusqu’à 0,15 eV (14 kJ/mol−1), bien qu’une réduction d’un facteur de deux ou trois dans la concentration en impuretés ioniques entre 50 et 250 m de profondeur ne puisse pas être entièrement admise comme une cause de la faiblesse apparente de l’action de la température. Un paragraphe ajouté lors de la correction des épreuves indique que Herron et Langway (in press), en effet, ont signalés une diminution avec profondeur de la concentration de Na+ par un facteur de deux on trois.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

In der Station J9 auf dem Ross-Ice Shelf, wo Temperaturangaben bis zu einer Tiefe von über drei Vierteln der Eisdicke Vorlagen, wurden Messungen des elektrischen Widerstandes vorgenommen. Wie bei der früher veröffentlichten Studie an einem 30 km stromaufwärts gelegenen Punkt (Bentley, 1977) fügen sich die scheinbaren Widerstände gut in ein Modell, das auf einem stationären Schelfeis mit verschwindender Massenbilanz an der Unterseite und einer scheinbaren Aktivationsenergie im festen Eis von 0,15 bis 0, 25 eV (14-24 kJ mol−1) beruht, wobei die untere Bereichsgrenze bevorzugt ist. Dieses Modell erfasst auch die beobachteten Temperaturwerte nahezu fehlerfrei. Andere Ursachen als die Temperatur für die Änderung des Widerstandes mit der Tiefe — wie z.B. Verunreinigungsgrad, Ablauf der Metamorphose, Korngrösse und Kristallorientierung — beeinflussen vermutlich die Tiefenabhängigkeit des Widerstandes nur wenig. Es lässt sich folgern, dass die wahre Aktivationsenergie im festen Eis kleiner als 0,25 eV (24 kJ mol−1) und vielleicht nur 0,15 eV (14 kJ mol−1) ist, obwohl eine Verringerung der Konzentration des Ionengehalts der Verunreinigungen in einer Tiefe zwischen 50 und 250 m um den Faktor zwei oder drei nicht völlig als Ursache für den Effekt wie bei niedriger scheinbarer Temperatur ausgeschlossen werden kann. Eine Fussnote die während der Drucklegung angebracht wurde, weist darauf hin, dass Herron und Langway (in press) tatsächlich eine Abnahme der Na+-Konzentration mit der Tiefe um einen Faktor von zwei oder drei festgestellt haben.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1 Map of the Ross Ice Shelf showing the location and orientation of the resistivity profiles at stations J9 and B.C. heavy black arrow shows the direction of ice movement.

Figure 1

Fig. 2 Diagram of the Schlumberger array for resistivity measurements. a and b represent inter-electrode distances as indicated.

Figure 2

Fig. 3 Observed apparent resistivities at station J9, Profile 1. Pairs of short horizontal lines connected vertically represent error bars determined from the scatter of observed potentials and currents, “(2)” indicates two superimposed observations. The solid line through the points correspond to a resistivity model described in the text.

Figure 3

Fig. 4 Apparent resistivity data for station J9, Profile 2. Pairs of short horizontal times connected vertically represent error bars determined from the scatter of observed potential differences and currents. The points enclosed in the parallelogram were considered to be invalid and were not included in further analyses. The solid line shows the same resistivity model as in Figure 3.

Figure 4

Fig. 5 Apparent resistivity data for station J9, Profiles 1 and 2 shown together. Circles indicate average values from Profile 1, squares denote average values from Profile 2. The error estimate in the apparent resistivity at 700 m is indicated by the height of the rectangle. Other error estimates are no larger than the size of the points.

Figure 5

Fig. 6 Apparent resistivity data from both profiles combined, station J9. Both models assume a bottom balance-rate equal to zero; model “a” includes an activation energy of 0.15 eV (14 kJ mol−1) in the solid ice, and model “b” an activation energy of 0.25 eV (24 kJ mol−1) in the ice.

Figure 6

Fig. 7 Temperature against depth as measured in the deep drill hole at station J9. Solid dots indicate measured values, the solid line is calculated from a model assuming steady-state and no bottom melt or freeze.

Figure 7

Fig. 8 Combined apparent resistivities for station B.C. Solid lines indicate the same two models as in Figure 7.

Figure 8

Fig. 9 “Actual” resistivities as a function of depth in the ice shelf al station J9 based on the two models of Figure 7, relative to an assumed resistivity of 106 Ωm at the surface. Since the surface value is not welll determined, the true resistivity at a particular depth may be in error by a factor of two or more. “Actual” resistivities at depths greater than 250 m are not well controlled by the observed data.