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The Electrical Properties of Ice Surfaces

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Norikazu Maeno
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
Hiroshi Nishimura
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The surface conductivity of monocrystalline ice was measured as a function of temperature impurity concentration, field-strength, and other variables. At temperature, below about –6°C the surface conductivity was found to follow the Arrhenius equation with an activation energy of 33±2 kcal mol−1 (1.43±0.09 eV). Small amounts of impurities contained within the ice increased the surface conductivity and decreased the actuation energy: for HF-doped ice the activation energy was reduced to 10.0 kcal mol−1 (0.44 eV). Mechanical treatment of the ice surface increased the surface conduction. At temperatures above about —6°C the surface conductivity increased more rapidly with the rise in temperature; this is explained in terms of the appearance and development of a quasi-liquid layer on the ice surface. The electrical behaviour of sublimed ice surfaces was found to vary at a temperature around —9°C. At higher temperature a sharp, instantaneous current increase was observed as evacuation began; this was considered to be caused by the formation of ionic states due to the rapid evaporation of quasi-liquid layers. It was concluded that the temperature above which the ice surface was covered with a quasi-liquid layer lay in the range — 6 to — 9°C.

Résumé

Résumé

La conductivité superficielle de la glace monocristalline a été mesurée en fonction de la température, de la concentration en impuretés, de l’intensité du champ appliqué, . . . etc. A des températures inférieures à — 6°C, nous avons observé que cette conductivité suit une loi d’Arrhenius avec une énergie d’activation de 33 ± 2 kcal mol−1 (1,43 ± 0,09 eV) . Une teneur faible en impuretés dans la glace entraine une augmentation de la conductivité superficielle et une diminution de l’énergie d’activation: dans le cas de la glace dopée avec HF, l’énergie d’activation est abaissée de 10,0 kcal mol−1 (0,44 eV). Des traitements mécaniques de la surface de la glace accroissent également la conductivité superficielle. Au-dessus de — 6°C, la conductivité superficielle croît plus rapidement avec la temperature et nous avons attribué ce fait à l’apparition et au développement d‘une couche quasi-liquide sur la surface de la glace. Le comportement électrique de surfaces de glace en cours de sublimation présente une variation aux environs de — 9°C: aux temperatures plus élevées, nous observons une augmentation pratiquement instantanée du courant dès que s’amorce la sublimation et nous avons considéré que cela est dû à la formation d‘ions résultant de l’évaporation rapide de la couche quasi-liquide. Nous en avons concluque la température critique au-dessus de laquelle la surface et la glace se recouvre d‘une couche quasi liquide se situe entre — 6 et — 9°C.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Oberflächenleitfähigkeit von einkristallinem Eis wurde in Abhängigkeit der Temperatur, der Verunreinigungskonzentration, der Feldstärke und anderer Grössen gemessen. Es wurde gefunden, dass sie bei Temperaturen unterhalb — 6°C der Arrhenius-Gleichung gehorcht, mit einer Aktivierungsenergie von 33 ± 2 kcal mol−1 (1,43 ± 0,09 eV). Geringe Verunreinigungen im Eis erhöhten die Oberflächenleitfähigkeit und erniedrigten die Aktivierungs-energie: bei HF-dotiertem Eis wurde die Aktivierungsenergie auf 10,0 kcal mol−1 (0,44 eV) herabgesetzt. Mechanische Bearbeitung der Eisoberfläche vergrösserte die Oberflächenleitung. Bei Temperaturen oberhalb — 6°C wuchs die Oberflächenleitfähigkeit mit steigender Temperatur schneller. Dies wurde mit dem Auftreten und der Ausbildung einer quasi-flüssigen Oberflächenschicht auf dem Eis erklärt. Es wurde festgestellt, dass das elektrische Verhalten abdampfender Eisoberflächen sich bei einer Temperatur von rund — 9°C ändert: bei höheren Temperaturen wurde mit Beginn des Abpumpens ein scharfer, unverzüglicher Anstieg beobachtet. Als Ursache dafür wurde die Bildung von Ionenzuständen durch die rasche Verdampfung der quasi-flüssigen Schicht angesehen. Es wurde gefolgert, dass die kritische Temperatur, oberhalb derer die Oberfläche mit einer quasi-flüssigen Schicht bedeckt war, zwischen — 6 und — 9°C lag.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1. The experimental apparatus.

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Fig. 2. Surface conductivity versus the reciprocal of the absolute temperature for (0001) planes of various kinds of ice.

Figure 2

Fig. 3. Photomicrograph showing the ice surface treated with an emery paper.

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Fig. 4. Variations of surface conductance after evacuation for “pure” natural ice (“O-ike”). A potential of 5.00 V is applied with a steady conductance of G0. Dashed lines indicate expected variations of conductance calculated from measured temperature of ice surface using the results of Figure 2.

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Fig. 5. Maximum variations of surface conductance versus the reciprocal of temperature for “pure” natural and HF-doped (1.7 × 10−4 M) ice.

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Fig. 6. Variations of surface conductance after evacuation for HF-doped ice (1.7 × 10−4M). 10.00 V is applied with a steady conductance of G0.

Figure 6

Fig. 7. Variations of temperature of subliming ice for 0.00, 0.30, and 3.00 mm from the surface.

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Fig. 8. Decrease of surface temperature versus the reciprocal of temperature.

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Fig. 9. Rate of sublimation versus the reciprocal of temperature.