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Elastic Constants of Ice by Brillouin Spectroscopy

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

P. H. Gammon
Affiliation:
Department of Physics, Memorial University of Newfoundland, St John’s, Newfoundland A1B 3X7, Canada
H. Kiefte
Affiliation:
Department of Physics, Memorial University of Newfoundland, St John’s, Newfoundland A1B 3X7, Canada
M. J. Clouter
Affiliation:
Department of Physics, Memorial University of Newfoundland, St John’s, Newfoundland A1B 3X7, Canada
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Brillouin spectroscopy has been used to measure the adiabatic elastic constants of laboratory-grown pure monocrystalline ice Ih at – 3°C. The values obtained were (in units of 108 N/m2): c 11 = 136.96 ±0.60, c 12 = 69.66± 0.45, c 13 = 56.28±0.31, c 33 = 147.02±0.68, c 44 = 29.59±0.15. Comparison of these values with ultrasonic measurements quoted in the literature reveals no significant acoustic dispersion in ice over frequencies ranging to 1010 Hz. However, the results suggest that the elastic constants of ice may depend on the precise crystal quality and age of a given sample. The low experimental error in the values obtained, along with the inherent versatility of the method, indicate that Brillouin spectroscopy is an effective technique for systematically investigating the elastic properties of ice samples formed under natural conditions.

Résumé

Résumé

Les constants élastiques de la glace par spectroscopie Brillouin. On a utilisé la spectroscopie Brillouin pour mesurer les constantes élastiques adiabatiques d’un monocristal de glace Ih pure à –3°C. Les valeurs obtenues ont été (en unités de 108 N/m2): c 11 = 136,96 ±0,60, c 12 = 69,66± 0,45, c 13 = 56,28±0,31, c 33 = 147,02±0,68, c 44 = 29,59±0,15. La comparaison entre ces valeurs avec les mesures par ultra-son rapportées dans la littérature révèlent qu’il n’y a pas de dispersion acoustique significative dans la glace pour des fréquences allant jusqu’ à 1010 Hz. Cependant, les résultats montrent que les constantes élastiques de la glace peuvent dépendre de la qualité précise du cristal et de l’ âge d’un échantillon donné. La faible erreur expérimentale dans les valeurs obtenues, associée à la variabilité inhérente à la méthode, indique que la spectroscopic Brillouin est une technique efficace pour des investigations systématiques des propriétés élastiques des échantillons de glace formés dans les conditions naturelles.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Elastische Konstanten des Eises aus Brillouin-Spektroskopie. Zur Messung der adiabatischen elastischen Konstanten monokristallinen Eises Ih, das im Labor hergestellt worden war, bei – 3°C wurde die Brillouin-Spektroskopie herangezogen. Es ergaben sich folgende Werte (in Einheiten von 108 N/m2): c 11 = 136,96 ±0,60, c 12 = 69,66± 0,45, c 13 = 56,28±0,31, c 33 = 147,02±0,68, c 44 = 29,59±0,15. Der Vergleich dieser Werte mit Ultraschallmessungen, wie sie in der Literatur aufgeführt werden, weist auf keine merkliche akustische Dispersion im Eis im Frequenzbereich bis 1010 Hz hin. Doch lassen die Ergebnisse annehmen, dass die elastischen Konstanten des Eises von der genauen Kristallstruktur und vom Alter einer bestimmten Probe abhängen. Der kleine mittlere Fehler der gewonnenen Werte zeigt zusammen mit der Vielfältigkeit der Methode, dass die Brillouin-Spektroskopie ein wirksames Verfahren für systematische Untersuchungen der elastischen Eigenschaften von Eisproben, die unter natürlichen Bedingungen entstanden, ist.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1980
Figure 0

Fig. 1. Experimental set-up. S–Sample cell; P–Polaroid X-ray camera ; A–Aperature; M–Mirrors; L–Lenses; PM–Photomultiplier; AD–Amplifier discriminator; DAS–Data acquisition and stabilization system.

Figure 1

Fig. 2. A 3 h Brillouin spectrum from crystal B at γ = 24.9°. One and a half overlapping orders are shown, with two central components. L designates the longitudinal Brillouin component and T1 and T2 the transverse components as shifted from central component R. The width of the central component represents the instrumental line width and was about 200 MHz. The transverse components ranged in width from 200 to 300 MHz and the longitudinal components from 400 to 600 MHz, depending on crystal orientation. A total time of 10 s was spent accumulating counts in each MCA channel.

Figure 2

Table I. Summary of experimental data

Figure 3

Table II. Four determinations of the density of ice Ih

Figure 4

Fig. 3. Measured acoustic velocities (indicated by the solid dots) as determined from the Brillouin frequency shifts, and calculated velocities (indicated by the solid curves) for ice Ih at –3°C versus the angle γ between the crystal hexagonal axis and the direction of sound propagation. The standard deviation in the measured frequency shifts is about half the radius of the dots or, for data from crystal A, is indicated by the vertical bars.

Figure 5

Table III. Measurements of the elastic moduli of ice Ih