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Effect of Growth Parameters on Substructure Spacing in NaCl Ice Crystals

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Gary Lofgren
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
W. F. Weeks
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
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Abstract

The effect of growth velocity υ and solute concentration C on the cellular substructure that develops in NaCl ice is studied in the range 3×10−3 to 10−5 cm s−1 and 1 to 100‰ respectively. The substructure is the result of the formation of a constitutionally super-cooled zone in the liquid ahead of the advancing interface. Unidirectional freezing runs were made by placing a cold plate in contact with the “top” of the solution and using cold-plate temperatures of −20 and −70°C. The growth velocities were determined from a least-squares fit of the growth data to a power series. The average spacings between neighboring substructures a0 were measured from photomicrographs of precisely located thin sections. Log-log plots of a0 against υ show that the slope n gradually changes as a function of υ. In the run where no convection occurred, n changes from to 1 as υ decreases in agreement with the prediction of Bolling and Tiller. The results of Rohatgi and Adams are also shown to be in good agreement with this prediction. On the other hand when convection occurs, n changes from to approximately o as υ decreases. This is caused by convection reducing the effective value at C at the growing interface. The variation of a0 with C is quite complex and shows a minimum in the composition range 9 to 25‰ NaCl.

Résumé

Résumé

L’effet de la vitesse de croissance u et de la concentration de la solution C sur la substructure cellulaire qui se développe dans la glace dopée de NaCl est étudié dans le domaine de 3.10−3 à 10−5 et de 1 à 100‰ respectivement. La substructure est le résultat de la formation d’une zone constitutionnellement surfondue dans le liquide en avant de l’interface en croissance. Des cycles de congélation unidirectionnelle ont été réalisés en plaçant une plaque froide en contact avec le “sommet” de la solution et en usant d’une plaque froide de −20° à −70°C. Les vitesses de croissance ont été déterminées par la méthode des moindres carrés en exprimant les données de croissance par des séries de puissance. Les espacements moyens entre des substrustures voisines a0 ont été mesurés sur des microphotographies de coupes minces localisées avec précision. La courbe de en fonction de υ sur graphique logarithmique montre que la pente n change graduellement en fonction de e. Dans le cycle où aucune convection n’avait lieu, n change de à 1 lorsque υ détroit, et cela en accord avec la prévision de Bolling et Tiller. Les résultats de Rohatgi et Adams sont aussi en bon accord avec cette prévision. D’autre part, lorsqu’il y a convection, n change de à environ o lorsque υ détroit. Ce fait est dû à la convection qui réduit la valeur effective de C à l’interface en croissance. La variation de a0 avec C est plus complexe et montre un minimum dans l’intervalle de 9 à 25‰ NaCl.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Im Bereiche von 3×10−3 bis 10−5 cm s−1 bzw. 1 bis 100‰ wurde der Einfluss der Wachstumsgeschwindigkeit υ und der Lösungskonzentration C auf die zellulare Feinstruktur, die sich in NaCI-Eis bildet, untersucht. Die Feinstruktur ist die Folge des Auftretens einer natürlich unterkühlten Zone in der Flüssigkeit über der vorrückenden Grenzfläche. Durch Ansetzen einer Kälteplatte, deren Temperatur −20° und −70°C betrug, auf die Oberfläche der Lösung wurden einseitig ausgerichtete Gefrierbahnen erzeugt. Die Wachstumsgeschwindigkeiten wurden durch Ausgleichung der Wachstumsdaten nach einer Potenzreihe bestimmt. Die mittleren Abstände a0 zwischen benachbarten Feinstrukturen wurden in Mikrophotographien von genau festgelegten Dünnschliffen gemessen. Log-Log-Diagramme von a0 gegen υ zeigen eine allmähliche Anderung der Neigung n als Funktion von υ Im konvektionsfreien Bereich ändert sich n von in 1, während υ in Übereinstimmung mit der Voraussage von Bolling und Tiller abnimmt. Für die Ergebnisse von Rohatgi und Adams ergibt sich ebenfalls gute Ubereinstimmung mit dieser Voraussage. Andrerseits ändert sich bei Konvektion n von in annähernd Null bei abnehmendem υ. Der Grund dafür liegt darin, dass die Konvekt ion den effektiven Wert von C an der wachsenden Grenzfläche herabsetzt. Die Variation von do mit C ist sehr komplex und zeigt ein Minimum im Konzentrationsbereich von 9 bis 25‰ NaCl.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1969
Figure 0

Fig. 1. Schematic comparison of the relations a0υ = constant and = const. with the relations proposed by Bolling and Tiller (1960) and Rohatgi and Adams (1967[c]).

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Fig. 2. Schematic drawing of the freezing apparatus.

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Fig. 3. Photomicrograph of thin section of NaCl ice showing substructure: Ron 3a, υ = 1.8×10−4cm s−1, distance from cold-plate 5.88 cm.

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Fig. 4. Photomicrograph of thin section of NaCl ice showing substructure: Run 3a, υ = 2.39×10−5 cm s−1, distance from cold-plate 23.18 cm.

Figure 4

Fig. 5. Ice thickness versus elapsed time for some representative freezing runs.

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Fig. 6. Plot of versus (−log υ). The curve is a least-squares fit of Equation (15).

Figure 6

Fig. 7. Plot of versus (−log 1/υ)2.

Figure 7

Fig. 8. Plot of a0versus . The symbols are those used in Figures 6 and 7.