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Shock-Wave Studies Of Ice Under Uniaxial Strain Conditions

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Donald B. Larson*
Affiliation:
Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, U.S.A.
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Abstract

Shock-wave studies of ice under uniaxial strain conditions have been conducted at stress levels up to 3.6 GPa. A light-gas gun accelerated the flat-faced projectile used to impact the ice-containing targets. The ice samples were initially at ambient pressure and at temperatures of –10 ± 2° C. Gages were implaced at different distances in the ice along the path of the shock wave to measure particle velocity time histories inside the ice samples. The recorded time histories of particle velocity show a precursor wave with an average wave velocity of 3.7 km/s and an average particle velocity amplitude of 0.06 km/s. This wave is travelling at a wave velocity approximately 10% greater than longitudinal sound speed and is believed to originate because of the onset of melting of ice I.

The particle velocity data from these experiments were converted to stresses and volumes using Lagrangian gage analysis and the assumption of a simple non-steady wave. This conversion provides a complete compression cycle (which includes both loading and unloading paths) for comparison with static measurements. All experiments show the onset of melting at 0.15 to 0.2 GPa. Experiments with maximum stress states between 0.2 and 0.5 GPa yield results which suggest that a mixed phase of ice I and liquid water exists at these conditions. For maximum loading stresses between 0.6 and 1.7 GPa the experimental results suggest that the final state is predominately ice VI. In these experiments the specific volume upon compression is changed from 1.09 m3/Mg to approximately 0.76 m3/Mg, which represents compaction of approximately 30%. The unloading paths determined from these experiments indicate that ice VI remains in a “frozen” or metastable state during most of the unloading process. This hysteresis in the compression cycle gives rise to a large “loss” of shock-wave energy to the transformation process. At stress levels above 2.2 GPa, ice VII should be the stable form for water according to static compression measurements. Experimental data at 2.4 and 3.6 GPa suggest that ice VII may be formed but these results indicate a mixed phase of ice VI and ice VII rather than complete transformation to ice VII.

Résumé

Résumé

On a conduit des études de l’onde de choc de la glace sous des conditions de contraintes uniaxiales avec des efforts allant jusqu’à 3,6 GPa. Un fusil à gaz accélérait un projectile à face plane pour produire un impact sur des cibles contenant de la glace. Les échantillons de glace étaient initialement à la pression ambiante et à des températures de – 10 ± 2° C. Des capteurs ont été implantés à différentes distances dans la glace le long du trajet de l’onde de choc pour mesurer la succession dans le temps des vitesses des particules à l’intérieur des échantillons de glace. Les enregistrements de cette succession temporelle des vitesses des particules mettent en évidence une onde en précurseur avec une vitesse moyenne de 3,7 km/s et une amplitude des variations de la vitesse de 0,06 km/s. Cette onde se déplace à une vitesse approximativement 10% plus grande que la vitesse longitudinale du sou et on pense que c’est parce qu’il se produit une fusion de la glace I.

Les données sur la vitesse des particules tirées de ces expériences ont été converties en efforts et en volumes en utilisant l’analyse du Lagrangien et l’hypothése d’une onde simple instable. Cette conversion donne un cycle de compression complet (qui inclut à la fois la période de charge et de décharge) permettant une comparaison avec des mesures statiques. Toutes les expériences montrent une fusion de 0,15 à 0,2 GPa. Des expériences sous les efforts maximum, entre 0,2 et 0,5 GPa donnent des résultats qui suggèrent qu’une phase mélangée de glace I et d’eau liquide existe dans ces conditions. Pour les charges les plus fortes entre 0,6 et 1,7 GPa les résultats expérimentaux font penser que l’état final est une prédominance de glace VI. Dans ces expériences le volume spécifique sous compression est chargé de 1,09 m3/Mg a approximativement 0,76 m3/Mg, ce qui représente une compaction d’environ 30%. L’itinéraire de décompression déterminé à partir de ces expériences indique que la glace VI reste dans un état “gelé” ou métastable durant la plus grande partie du processus de décompression. Cette hystérésis dans le cycle de la compression donne naissance à une forte “perte” de l’ énergie de l’onde de choc pour le processus de transformation. A des niveaux d’efforts de 2,2GPa, la glace VII devrait être la forme stable de l’eau, selon les mesures de compression statique. Des données expérimentales à 2,4 et 3,6 GPa suggèrent que de la glace VII peut se former maisles résultats montrent une phase mélangée de glaces VI et VII plutôt qu’une transformation complète en glace VII.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Stosswellen in Eis unter einachsigen Spannungsbedingungen wurden bei Druckhöhen bis zu 3,6 GPa untersucht. Eine Lichtgaskanone beschleunigte das stumpfe Geschoss, das zum Beschuss des eisgefullten Zieles benutzt wurde. Die Eisproben standen anfänglich unter allseitigem Druck bei Temperaturen von –10 ± 2° C. In verschiedenen Distanzen längs des Weges der Stosswelle wurden Messfühler ins Eis eingebracht, um den Verlauf der Teilchengeschwindigkeit in den Eisproben zu messen, Der registrierte Verlauf zeigt eine Vorläuferwelle mit einer mittleren Wellengeschwindigkeit von 3,7 km/s und einer mittlere Amplitude der Teilchengeschwindigkeit von 0,06 km/s. Diese Welle pflanzt sich mit einer um etwa 10% grösseren Geschwindigkeit als die Längsgeschwindigkeit des Schalles fort; ihr Ursprung dürfte auf den Beginn des Schmelzens von Eis I zurückgehen.

Die Werte der Teilchengeschwindigkeit bei diesen Versuchen wurden unter Verwendung der Lagrange-Analyse und unter der Annahme einer einfachen unstetigen Welle in Drucke und Volumina umgewandelt. Diese Umwandlung liefert einen vollständigen Kompressionszyklus (der sowohl Belastungs- wie Entlastungsbahnen enthält) zum Vergleich mit statischen Messungen. Alle Versuche zeigen den Beginn des Schmelzens bei 0,15 bis 0,2 GPa. Versuche mit maximalen Druckzuständen zwischen 0,2 und 0,5 GPa liefern Ergebnisse, die das Vorhandensein einer Mischphase von Eis I und flüssigem Wasser unter diesen Bedingungen vermuten lassen. Bei maximalen Lastdrucken zwischen 0,6 und 1,7 GPa deuten die Ergebnisse auf einen Endzustand von im wesentlichen Eis VI hin. In diesen Versuchen wird das spezifische Volumen infolge Kompression von 1,09 m3/Mg auf etwa 0,76 m3/Mg verändert, was eine Verdichtung von etwa 30% darstellt. Die Entspannungswege, die aus diesen Versuchen bestimmt wurden, zeigen, dass Eis VI während des Grossteils des Entspannungsprozesses in einem “gefrorenen” oder metastabilen Zustand bleibt. Diese Hysterese im Kompressionszyklus verursacht einen starken “Verlust” von Energie der Stosswelle an den Transformationsprozess. Bei Druckhöhen über 2,2 GPa sollte gemäss statischen Kompressionsmessungen die stabile Form für Wasser Eis VII sein. Versuchswerte bei 2,4 und 3,6 GPa lassen vermuten, dass Eis VII gebildet wird, aber diese Ergebnisse deuten eher auf eine Mischphase von Eis VI und Eis VII als auf eine vollständige Transformation zu Eis VII hin.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
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Fig. 1. Phase diagram of water.

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Fig. 2. Schematic of gas-gun experiment showing projectile, target assembly, and poles of external electomagnet.

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Fig. 3. Particle velocity time histories recorded at ice-buffer-plate interface and at depths of 3.139 mm and 6.268 mm in polycrystalline ice.

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Fig. 4. Particle-velocity history of two embedded gages in single-crystal ice loaded uniaxially perpendicular to c-axis (arrows indicate arrival of rarefaction wave at gages).

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Fig. 5. Shock-wave compression data for single-crystal ice shocked (a) along and (b) along <0001> axis, starting at −10° C.

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Fig. 6. Stress versus specific volume data for ice (dashed lines show uniaxial loading and unloading paths followed in each experiment; solid line is average precursor path for all experiments).

Figure 6

Fig. 7. Comparison of shock-wave data and −10° isotherm for ice.

Figure 7

TABLE I. Shock-Wave Data for Ice

Figure 8

Fig. 8. Phase diagram for water with Hugoniot calculated for water at 20° C and possible path for shock-loading of ice I from −10° C.