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Interference Phenomena in Deformed Single Crystals of Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

G. J. Readings
Affiliation:
Meteorological Office, Bracknell, Berkshire, England
J. T. Bartlett
Affiliation:
Meteorological Office, Bracknell, Berkshire, England
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Abstract

When rectangular single crystals of ice were subjected to uniaxial compression parallel to their Long axes and viewed between crossed polarizers, interference fringes were often observed. Some of these interference bands were associated with grain boundaries formed as a result of “kinking”. These can be explained in terms of the known anisotropic optical properties of ice and the change in the orientation of the optic axis across the boundary. This case has been analysed in detail with the aid of Jones’ calculus and good quantitative agreement exists between the theory and the experimental observations.

Other interference bands were observed parallel to the trace of the basal plane on the surface of some deformed crystals. Alternative hypotheses for the explanation of this phenomenon have been considered and it seems probable that these bands are a result of slight random misorientations between adjacent slip lamellae. Applying Jones’ calculus to a simple model of such a deformed crystal indicates that the required misorientations are of the order of 1º If this explanation is correct, it implies that dislocations with non-basal Burgers vectors (probably c[0001]) make an active contribution to the deformation.

Résumé

Résumé

Lorsque des monocristaux rectangulaires de glace soumis à une compression uniaxiale parallèle à leurs grands axes sont observés entre des polariseurs croises, des franges d’interférence sont souvent observées. Certaines de ces bandes d’interférence sont associées à des limites de grain qui se forment comme s’il y avait “nouage”. On peut l’expliquer par les propriétés connues d’anisotropie optique de la glace et le changement dans l’orientation de l’axe optique à travers la limite. Ce cas a été analysé en détail avec l’aide du calcul de Jones et une bonne concordance quantitative existe entre la théorie et les observations expérimentales.

On observe d’autres bandes d’interférence parallèles à la trace des plans de base à la surface de quelques cristaux déformés. Une hypothèse ou une autre ont été. considérées pour l’explication de ce phénomène et il semble probable que ces bandes sont le résultat de petites variations aléatoires d’orientation entre des plans de glissements voisins. L’application du calcul de Jones à un modèle simple d’un tel cristal déformé montre que les variations d’orientations nécessaires sont de l’ordre du degré. Si cette explication est correcte, elle implique que les dislocations avec des vecteurs de Burgers non basaux (probablement c[0001]) prennent une part active à la déformation.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Wenn rechtwinklige, einkristalline Eisprismen parallel zu ihrer Längsachse komprimiert wurden, konnten oft Interferenzerscheinungen in polarisiertem Licht beobachtet werden. Einige dieser Interferenzbänder waren infolge der Stauchung mit der Bildung von Korngrenzen verbunden; sie können mit der bekannten optischen Anisotropie des Eises und dem Wechsel der optischen Achse an der Komgrcnze erklärt werden. Dieser Fall wurde mit Hilfe der Mairizenrcchnung nach Jones untersucht. Theorie und Experiment stimmen quantitativ gut überein.

Andere Interferenzbänder wurden parallel zur Schnittlinie der Basalebene mit der Oberfläche deformierter Eiskristalle beobachtet. Zwei verschiedene Hypothesen zur Erklärung dieses Phänomens wurden untersucht. Wahrscheinlich wurden die Interferenzbänder durch geringfügige zufällige Orientierungsunterschiede benachbarter Schichten in der Gleitzone verursacht. Die Matrizenrechnung nach Jones zeigt für ein einfaches Modell eines deformierten Kristailes. dass die erforderlichen Orientierungsunterschiede von Schicht zu Schicht etwa i betragen müssen. Wenn diese Erklärung richtig ist, folgt daraus, dass Versetzungen mit Burgers-Vektoren ausserhalb der Basalebenen (wahrscheinlich c[0001) aktiv an der Deformation beteiligt sind.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1971
Figure 0

Fig.1 . Interference bands ai a grain boundary.

Figure 1

Fig.2 . Diagrammatic cross-section through a grain boundary.

Figure 2

Table I. Spacing of interference bands due to grain boundaries in ice

Figure 3

Fig.3 . Interference bands parallel to slip lines.

Figure 4

Fig.4 . Interference bunds changing direction in a specimen of variable thickness. The broad dark bands radiating from the left ore fringes associated with the change in thickness.

Figure 5

Fig.5 . Dependence of the observed spacing s of interference bands on the inclination of the optic axis ø. The length of the vertical lines indicates the spread in the spacings observed on individual specimens.

Figure 6

Fig.6 . Visibility of interference bands as a function of the inclination of the optic axis φ and the angle between the optic axis and the axis of compression Ψ.

Figure 7

Fig.7 . Diagram of mi ice crystal deformed by compression.

Figure 8

Fig.8 . Idealized model of a deformed ice crystal.

Figure 9

Fig.9a . The amplitudes of the real and imaginary components. Er and Ei and the resultant intensity I of light transmitted through an idealized model of a deformed ice crystal.

Figure 10

Fig.9b. Intensities plotted as in Figure 9a.

Figure 11

Fig.9c. Intensities plotted as in Figure 9a

Figure 12

Fig.10 . Fig.10. Maximum intensity transmitted (in units of p2Io) as a function of the inclination of the optic axis ø The small numbers on the graph give the number of lamellae traversed (= n + 0.5).

Figure 13

Fig.11 . A possible network of dislocations in a compressed ice crystal.