Elastic Constants of Artificial and Natural Ice Samples by Brillouin Spectroscopy

Abstract

The method of Brillouin spectroscopy has been used to measure the dynamic elastic moduli of local homogeneous regions in ice samples representing four different environments of formation. These included artificial ice frozen from distilled water, clear monocrystalline glacial ice, bubbly lake ice, and sea ice. The samples studied were found to have identical local elastic properties. Accordingly the elastic properties of homogeneous monocrystalline ice have been found not to vary with sample age, with impurities present at the time of freezing, or with crystal quality. The bulk elastic properties of ice remain, of course, subject to modification by different crystal grain textures and the presence of inclusions of various sorts. Because the elastic constants obtained in the present work are subject to smaller overall uncertainty than values measured previously, it is believed that they are the most reliable obtained to date. The values at −16 °C were determined to be c 11 = 139.29 ± 0.41, c 12 = 70.82 ± 0.39, c 13 = 57.65 ± 0.23, c 33 = 150.10 ± 0.46, c 44 = 30.14 ± 0.11 (units of 108 N m− 2 or kbar). A full range of derived elastic parameters for monocrystalline ice and for homogeneous isotropic polycrystalline ice has been calculated. Résumé On a utilisé la méthode de la spectrographie de Brillouin pour mesurer les modules dynamiques élastiques de régions localement homogènes dans des échantillons de glace représentant quatre différentes circonstances de formation. Il s’agissait d’une glace artificielle obtenue à partir d’eau distillée, d’une glace claire monocristalline, d’une glace bulleuse de lac et d’une glace de mer. On a trouvé que les échantillons étudiés avaient des propriétés élastiques locales identiques. Logiquement, les propriétés élastiques d’une glace homogène monocristalline ont été trouvées indépendantes de l’âge de l’échantillon, des impuretés présentes au moment de la congélation ou de la qualité du cristal. Les propriétés élastiques globales de la glace demeurent, naturellement, sujettes à modifications selon les différentes textures cristallines des grains et la présence d’inclusion de différentes sortes. Comme les constantes élastiques obtenues dans la présente étude sont affectées d’une incertitude globale inférieure aux valeurs précédemment mesurées on pense qu’elles sont les plus dignes de confiance obtenues jusqu’ici. Les valeurs obtenues à −16 °C ont été: c 11 = 139,29 ± 0,41, c 12 = 70,82 ± 0,39, c 13 = 57,65 ± 0,23, c 33 = 150,10 ± 0,46, c 44 = 30,14 ± 0,11 (unités: 108 N m−2 ou kbars). Toute une série de paramètres élastiques dérivés ont été calculés pour de la glace monocristalline et pour une glace polycristalline homogène et isotrope. Zusammenfassung Das Verfahren der Brillouin-Spektroskopie wurde zur Messung der dynamischen elastischen Moduln lokaler homogener Bereiche in Eisproben, die vier verschiedene Bildungsverhältnisse umfassen, herangezogen. Dazu gehörte künstliches Eis aus destilliertem Wasser, klares monokristallines Gletschereis, blasenreiches Seeeis und Meereis. Die lokalen elastischen Eigenschaften der untersuchten Proben erwiesen sich als identisch. Entsprechend zeigt sich, dass die elastischen Eigenschaften von homogenem monokristallinem Eis sich mit dem Alter der Probe, mit den im Gefrierzeitpunkt vorhandenen Verunreinigungen oder mit der Qualität der Kristalle nicht ändern. Die mittleren elastischen Eigenschaften des Eises unterliegen natürlich Änderungen durch verschiedene Kristallkorngefüge und infolge der Anwesenheit von Einschlüssen verschiedener Art. Da die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen elastischen Konstanten in ihrer Gasamtheit genauer sind als früher gemessene Werte, werden sie als die derzeit zuverlässigsten betrachtet. Die Werte bei −16 °C ergaben sich zu c 11 = 139,29 ± 0,41, c 12 = 70,82 ± 0,39, c 13 = 57,65 ± 0,23, c 33 = 150,10 ± 0,46, c 44 = 30,14 ± 0,11 (Dimension 108 N m−2 oder kbar). Eine vollständige Reihe abgeleiteter elastischer Parameter für monokristallines Eis und für homogenes isotropes polykristallines Eis wurde berechnet.