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Age Hardening of Snow at the South Pole

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Anthony J. Gow
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire, U.S.A.
René O. Ramseier
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire, U.S.A.
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Abstract

The age hardening of artificially and naturally compacted snow has been investigated at the South Pole. Results show that the age-hardening process is greatly retarded at low temperatures. Artificially compacted samples of density 0.55 g./cm.3 attained a compressive strength of less than 3.0 kg./cm.2 after one year’s ageing at −49° C. Exposure to solar radiation accelerated the age hardening. Irradiated samples attained a strength of 6.0 kg./cm.2 after 100 hr., increasing to a virtual maximum of 8.0 kg./cm.2 at the end of 600 hr. Compressive strengths increased with decrease in snow-particle size and with increasing angularity of the particles. Below 3 m. the strength of naturally compacted snow was found to increase rapidly with increase in density. Naturally compacted snow of density 0.55 g./cm.3 possessed considerably greater strength than any of the age-hardened samples of artificially compacted snow of the same density. Thin-section studies show that age hardening can be correlated with the formation and growth of intergranular bonds, and that bond growth falls off rapidly with decreasing temperature. In view of the low strengths found in both naturally compacted snows near the surface and in artificially compacted snow at the South Pole, “cut-and-cover” under-snow camp construction may not prove too practical at the South Pole.

La cohésion en fonction du vieillissement de la neige tassée artificiellement et naturellement a été étudiée au pôle Sud. Les résultats montrent que le processus de variation de cohésion en fonction du vieillissement est grandement retardé aux basses températures. Des échantillons artificiellement tassés de densité 0,55 g/cm3, ont atteint une résistance à la compression de moins de 3,0 kg/cm2, après une période de 1 an à −49° C.

L’exposition à la radiation solaire accélère la cohésion en fonction du vieillissement. Des échantillons irradiés ont atteint une résistance de 6 kg/cm2 après 100 heures croissant jusqu’à un maximum virtuel de 8 kg/cm2 après 600 heures. La résistance à la compression croît avec la décroissance de la dimension des particules de neige et avec l’angularité croissante des particules. En-dessous de 3 mètres, la résistance de neige naturellement tassée croît rapidement avec l’accroissement de densité. Une neige tassée naturellement d’une densité 0,55 g/cm3 possède une résistance considérablement plus grande que tous les échantillons vieillis de neige artificiellement tassée ayant même densité. Des études de lames minces montrent que la variation de cohésion avec l’âge peut étre reliée à une formation de liaisons intergranulaires et que cette croissance des liaisons diminue rapidement avec une température décroissante.

Par suite des faibles résistances trouvées à la fois dans les neiges naturellement tassées près de la surface et dans la neige artificiellement tassée au pôle Sud, la construction d’un camp sous la neige par la technique de “couper et couvrir” peut ne pas etre très efficace au pôle Sud.

Es wurde die durch Alterung hervorgerufene Verfestigung von künstlich und natürlich verdichtetem Schnee am Südpol untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Prozess der Altersverfestigung bei niedrigen Temperaturen stark verzögert ist. Künstlich verdichtete Proben der Dichte 0,55 g/cm3 erreichten nach einem Jahr Alterung bei −49°C eine Kompressions-festigkeit von weniger als 3,0 kg/cm2. Sonnenstrahlung beschleunigte die Altersverfestigung. Bestrahlte Proben erreichten nach 100 Stunden eine Festigkeit von 6,0 kg/cm2, die nach 600 Stunden einem virtuellen Maximum von 8,0 kg/cm2 zustrebte. Die Kompressionsfestigkeit stieg an mit abnehmender Grösse und mit zunehmender Eckigkeit der Schnee-Teilchen. Es wurde gefunden, dass unterhalb 3 m die Festigkeit von natürlich verdichtetem Schnee mit zunehemender Dichte rasch anwächst. Natürlich verdichteter Schnee der Dichte 0,55 g/cm3 besass eine beträchtlich grössere Festigkeit als irgendeine der durch Alterung verfestigten Proben von künstlich verdichtetem Schnee derselben Dichte. Dünnschnittstudien zeigen, dass die Altersverfestigung mit der Bildung und dem Wachstum von Bindungen zwischen den Teilchen in Beziehung gebracht werden kann, und dass das Wachstum der Bindung mit abnehmender Temperatur rasch nachlässt. Im Hinblick auf die niedrigen Festigkeiten, wie sie sowohl in dem oberflächennahen natürlich verdichteten als auch in dem küstlich verdichteten Schnee am Südpol gefunden wurden, mag sich die “cut-and-cover” Bauweise von Lagern unter dem Schnee am Südpol als nicht zu praktisch erweisen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1963
Figure 0

Fig. 1. Snow temperature profiles at the South Pole (after Giovinetto, 1960). Points . correspond to 3 February 1958; points × correspond to 5 April 1958

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Fig. 2. Grain-size analyses of disaggregated snow

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Fig. 3. Unconfined compressive strength of snow cylinders as a function of the age of the cylinders at −49° C. Each point represents the average of ten tests in Series A

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Fig. 4. Thin-section photographs of age-hardened structure in Series A samples after (a) 768 hr. and (b) 1 yr. 6 × magnification. Note how weakly developed the bonding is even after one year’s ageing

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Fig. 5. Plot of daily average ambient air temperatures 3 ft. (0.9 m.) above the snow surface from 18 December 1960 to 20 January 1961 at the South Pole

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Fig. 6. Unconfined compressive strengths of snow cylinders of Series B. Each point represents the average of ten tests

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Fig. 7. Thin-section photographs of age-hardened structure in Series B samples after (a) 48 hr., (b) and (c) 96 hr., and (d) 624 hr. 6 × magnification. Photograph (c) shows the same area as (b) but is taken with the sample between crossed polaroids

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Fig. 8. Cross-sectional area loss by sublimation of snow cylinders in Series B and Series C

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Fig. 9. Unconfined compressive strengths of snow cylinders in Series C. Each point represents the average of eight tests

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Fig. 10. Thin-section photographs of age-hardened structure in Series C samples after (a) 24 hr., (b) 48 hr., (c) 384 hr., and (d) 768 hr. 6 × magnification

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Fig. 11. Compressive strength as a function of particle size for Series D samples. All samples were aged for 384 hr. Each point represents the average of five tests

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Fig. 12. Thin-section photographs of age-hardened structure at the end of 384 hr. (a–e) and after one year (f–j) in Series D samples. Grain-size ranges are as follows: (a) and (f), 0.35 mm. and less; (b) and (g), 0.35−0.50 mm.; (c) and (h), 0.50−0.84 mm.; (d) and (i), 0.84−1.00 mm.; (e) and (j), 1.00 mm. and larger. 6 × magnification

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Fig. 13. Strength σ plotted against density γ of naturally compacted snow at the South Pole. Each point represents the unconfined compressive strength of a single sample

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Fig. 14. Thin-section photographs of the grain structure of naturally compacted snow at the South Pole: (a) at 0.6 m. depth, density 0.37 g./cm.3, (b) at 6.0 m. depth, density 0.45 g./cm.3, (c) at 20.0 m. depth, density 0.55 g./cm.3, (d) at 48.0 m. depth, density 0.65 g./cm.3. The dark areas in (c) and (d) are pore spaces filled with partially melted aniline. 6 × magnification

Figure 14

Table 1. Parameters Used to Fit Data

Figure 15

Fig. 15. Age-hardening curves, calculated from the equationwhere S0 and Sf, are the final and initial compressive strength, St is the compressive strength at time t, and k is a rate constant