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The Dielectric Properties of Antarctic Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

W. J. Fitzgerald
Affiliation:
Department of Physics, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, England
J. G. Paren
Affiliation:
Department of Physics, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, England
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Abstract

Two 0.5 m cores from "Byrd" station, Antarctica have been studied in the laboratory, one from a shallow depth (155 m) and the other from the zone where recrystallization has given a vertical c-axis fabric, and the air in situ is thought to be in clathrate form (1 424 m). The dielectric response has been studied in the frequency range 60 Hz to 10 kHz, and in the temperature range — 6° C to —6o° C. The behaviour observed is markedly different from that of "pure" polycrystalline ice such as may be made by slowly freezing distilled de-ionized water and is thus at variance with the conclusions of Rogers (unpublished) who deduced, from measurements of the admittance of a dipole probe lowered through the fluid-filled drill hole at "Byrd", that the ice surrounding the hole had a dielectric response similar to that of "pure" ice. The Antarctic ice is shown to have properties similar to those of the ice from "Camp Century" and "Site 2" in Greenland studied by Paren (1973). In an attempt to discover what factors determine the difference in electrical behaviour between polar ice and pure ice, some samples were melted and subsequently refrozen slowly. Their dielectric response was similar to that of pure polycrystalline ice. These results are discussed in connection with the impurity content and growth conditions of the ices.

Résumé

Résumé

Deux carottes de 0,5 m provenant de la station "Byrd" dans l'Antarctique ont été étudiées en laboratoire. L'une provenait d'une faible profondeur (155 m) et l'autre d'une zone où la recristallisation a provoqué la formation de cristaux à axe-c vertical et où l'air in situ est, pense-t-on, sous sa forme clathratique (1 424 m). La réponse diélectrique a été étudiée dans la gamme des 60 Hz à 10 kHz et clans l'intervalle de température de —6° C à —60° C. Le comportement observé est nettement différent de celui d'une glace polycristalline "pure" telle qu'on peut en fabriquer en congelant lentement de l'eau distillée dé-ionisée. H y a donc désaccord avec les conclusions de Rogers (inédites) qui concluait, à partir de mesures de l'admittance d'une sonde bipole descendue dans un forage noyé à "Byrd", que la glace entourant le trou avait une réponse diélectrique semblable à celle d'une glace pure. On montre que la glace antarctique a des propriétés semblables à celles d'une glace provenant de "Century Camp" et de "Site 2" étudiée par Paren (1973) au Groenland. En vue de découvrir les facteurs qui déterminent la différence entre les comportements électriques de la glace polaire et de la glace pure, quelques échantillons furent fondus puis regelés lentement. Leur réponse diélectrique était semblable à celle de glaces polycristallines pures. On discute ces résultats selon la teneur en impuretés et les conditions d'édification des glaces.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Zwei 0.5 m dicke Bohrkerne von der "Byrd" Station, Antarktika, wurden im Labor untersucht, einer aus geringer Tiefe (155 m), der andere aus der Zone, wo die Rekristallisation zur Ausbildung vertikaler c-Achsen geführt hat und die Luft in situ vermutlich in Klathratform enthalten ist (1 424 m). Die dielektrischen Reaktionen wurden im Frequenzbereich 6u Hz bis 10 kHz bei Temperaturen zwischen — 6° C und — 6o° C untersucht. Das beobachtete Verhalten ist wesentlich anders als das von "reinem" polykristalliticm Eis, wie es beim langsamen Gefrieren von destilliertem, deionisiertem Wasser entsteht, und steht so im Widerspruch zu den Folgerungen ven Rogers (unveröffentlicht), der aus Messungen der scheinbaren Leitwerte einer Dipol-Sonde, die In das flüssigkeitsgcfüllte Bohrloch an der "Byrd" Station abgesenkt wurde, sehloss, dass das Eis in der Umgebung des Loches sieh dielektrisch ähnlich verhält wie "reines" Eis. Das antarktische Eis hat sichtlich ähnliche Eigenschaften wie das Eis von "Camp Century" und "Site 2" in Grönland, das von Paren (1973) untersucht wurde. In einem Versuch zur Entdeckung der Faktoren, die den Unterschied im elektrischen Verhalten zwischen polarem Eis und reinem Eis bewirken, wurden einige Proben geschmolzen und anschliessend wieder langsam gefroren. Ihr dielektrisches Verhalten war ähnlich dem von reinem polykristallinem Eis. Diese Ergebnisse werden im Zusammenhang mit dem Gehalt an Verunreinigungen und den Wachstums-bedingungen der Etsproben diskutiert.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1975
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Fig. 1. Frequency dependence of (a) the conductivity σ and (b) the relative permittivity ɛ’ for several different temperatures.

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Fig. 2. Temperature, dependence of the conductivity σ10 for a "Byrd" sample. The continuous and dotted tines represent the results obtained by Paren (1973) for Mendsnhall and Greenland ice respectively

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Fig. 3. Temperature dependence of the conductivities σ10 for fifteen samples investigated.

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Fig. 4. Frequency dependence of the conductivity a and the dielectric permittivity ɛ' at different temperatures for a melted and refrozen sample

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Fig. 5. Temperature dependence of the high-frequency conductivities σ10 for two melted and refrozen samples