Grain Growth in Polar Ice: II. Application

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Abstract
Grain growth observed in polar ice that is not deforming rapidly can be accounted for if concentrations and distributions of extrinsic materials (microparticles, bubbles, and dissolved impurities) are characterized fully. Dissolved impurities segregate to grain boundaries and slow grain growth in all cold glacial ice. The high concentration of soluble impurities in Wisconsinan ice from the Dome C (Antarctica) ice core (and perhaps other ice cores) probably causes the small grain-sizes observed in that ice. Microparticles have little effect on grain growth in ordinary ice. In ice layers that appear dirty owing to concentrations of volcanic tephra (such as in the Byrd Station (Antarctica) ice core) or of morainal material, micro particles reduce grain-growth rates significantly. The relatively high vapor pressure of ice allows rapid growth and high mobility of intergranular necks, so grain growth in firn is limited by boundary migration rather than by neck growth. Bubbles formed by pore close-off at the firn-ice transition are less mobile than grain boundaries, causing bubble-boundary separation whenever geometric constraints are satisfied; however, such separation reduces grain-growth rates by only about 10%. The observed linear increase of grain area with time is thus predicted by theory, but the growth rate depends on soluble-impurity concentrations as well as on temperature. Résumé On peut rendre compte de la croissance des grains observée dans la glace polaire à déformation lente par une bonne description des concentrations et répartitions des matériaux extrinsèques (microparticules, bulles et impuretés dissoutes). Les impuretés dissoutes se rassemblent aux frontières des grains pour en diminuer la croissance dans toute glace froide. La forte concentration des impuretés soluble dans la glace du Wisconsin au Dôme C (Antarctique), et peut être d’autres carottages, est la cause probable de la faible taille des grains observée dans ce type de glace. Les microparticules n’ont qu’un faible effet sur la croissance des grains pour de la glace ordinaire. Dans des couches de glace qui apparaissent sales par suite de la présence de téphras volcaniques (comme dans la carotte de glace de la Byrd Station, Antarctique) ou bien chargées en matériau morainique, les microparticules réduisent notablement les taux de croissance des grains. La relativement forte pression de vapeur de la glace permet une croissance rapide et une grande mobilité des appendices inter granulaires, de sorte que la croissance du grain dans le névé est limitée par les migrations à la frontière plutôt que par la croissance des appendices. Les bulles formées par le fermeture des pores lors de la transition névé– glace sont moins mobiles que les frontières des grains; en causant des frontières de séparation de bulles partout où les conditions géométriques sont satisfaites; cependant une telle séparation réduit la vitesse croissance des grains d’environ 10% seulement. La croissance linéaire observée de l’aire grains avec le temps est dans ces conditions prédite par la théorie, mais le taux de croissance dépend des impuretés solubles ainsi que de la température. Résumé Das in polarem Eis, das sich nicht schnell verformt, beobachtete Kornwachstum kann erklärt werden, wenn die Konzentration und Verteilung eingelagerter Materialien (Mikropartikel, Blasen, gelöste Verun-reinigungen) voll gekennzeichnet sind. Gelöste Verunreinigungen sondern sich von Korngrenzflächen ab und verzügern das Kornwachstum in kaltem Gletschereis. Die hohe Konzentration lösbarer Verunreinigungen in Eis aus der Wisconsin-Zeit vom Bohrkern aus Dome C (Antarktika) (und vielleicht auch aus anderen Eisbohrkernen) ist vermutlich der Grund für die geringen Korngrössen, die in diesem Eis zu beobachten waren. Mikropartikel haben auf das Kornwachstum in gewöhnlichem Eis nur wenig Einfluss. In Eisschichten, die infolge der Konzentration von vulkanischer Asche (wie etwa im Eisbohrkern der Byrd-Station in Antarktika) oder von Moränenmaterial schmutzig erscheinen, verzögern Mikropartikel das Kornwachstum erheblich. Der relative hohe Dampfdruck im Eis erlaubt das schnelle Wachstum und die hohe Beweglichkeit von Verbindungen zwischen den Körnern, weshalb das Kornwachstum in Firn eher durch Grenzflächenwanderungen als durch Verbindungswachstum begrenzt ist. Blasen, gebildet durch den Abschluss von Poren beim Übergang von Firn zu Eis, sind weniger beweglich als Korngrenzflächen, wodurch immer dann, wenn die geometrischen Einschränkungen erfüllt sind, eine Trennung zwischen Blasen und Grenzflächen verursacht wird; doch verringert solche Trennung die Kornwachstumsrate nur um etwa 10%. Die beobachtete lineare Zunahme der Kornflächen mit der Zeit ist damit durch die Theorie erklärt, aber die Wachstumsrate hängt ebenso von der Konzentration löslicher Verunreinigungen wie von der Temperatur ab.

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