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The Radio-Frequency Birefringence of Polar Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

N. D. Hargreaves*
Affiliation:
Scott Polar Research Institute, Cambridge CB2 1ER, England
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Abstract

Radio-echo observations have shown that polar ice in situ is birefringent. The most likely explanation of the birefringence is an anisotropy in the radio-frequency dielectric constant of the ice single crystal, combined with the ordering of the orientations of the ice crystals in polar ice. It is possible to calculate the birefringence of ice which has a distribution of crystal orientations using a technique similar to that used to derive the dielectric properties of heterogeneous media. The experimentally observed birefringence may then be shown to be consistent with the crystal orientation fabric at the site of the observations if the anisotropy of the dielectric constant is slightly less than 1%, that is, slightly less than the accuracy of the laboratory measurements which have failed to detect any anisotropy. Further experimental observations might be used to obtain information on not only the level of anisotropy of the single crystal but also on the crystal orientation fabric of the ice.

Résumé

Résumé

Les observations de radio-écho-sondage ont montré que la glace polaire in situ est biréfringente. L’explication la plus plausible de cette biréfringence repose sur l’existence d’une anisotropie des constantes diélectriques des monocristaux de glace aux fréquences radio, combinée à une orientation ordonnée des cristaux de glace dans la glace polaire. Il est possible de calculer la biréfringence de la glace possèdant une distribution des orientations cristallines, en utilisant une technique similaire à celle utilisée pour obtenir les propriétés diélectriques des milieux hétérogènes. On peut alors montrer que la biréfringence observée expérimentalement est en accord avec la texture d’orientation à l’endroit de l’observation si l’anisotropie des constantes diélectriques est un peu moins de 1%. Celte valeur est quelques peu inférieure à la précision des mesures des laboratoires qui n’ont pas réussi à détecter une quelconque anisotropie. La poursuite de telles observations expérimentales pourraient être utilisées pour obtenir des informations, non seulement sur le niveau de l’anisotropie du monocristal mais aussi sur la texture d’orientation de la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Radarecho-Untersuchungen haben gezeigt, dass Polareis in situ doppelbrechend ist. Die wahrscheinlichste Erklärung der Doppelbrechung ist eine Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten des einkristallinen Eises bei Radarfrequenzen, verbunden mit einer Ausrichtung der Eiskristalle im Polaires. Die Doppelbrechung von Eis mit verteilten Kristallrichtungen kann man mit Hilfe eines Verfahrens berechnen, das dem Verfahren für die Ableitung der dielektrischen Eigenschaften heterogener Stoffe ähnlich ist. Es kann dann gezeigt werden, dass die experimentell beobachtete Doppelbrechung mit dem Kristallorientierungsgefüge an der Beobachtungsstelle übereinstimmt, wenn die Anisotropie der dielektrischen Konstanten knapp unter 1% ist. Dies ist knapp unter der Genauigkeit der Labormessungen, die keinerlei Anisotropie feststellen konnten. Weitere experimentelle Beobachtungen könnten dazu benützt werden, Kenntnis nicht nur über den Grad der Anisotropie des Einkristalls. zu erhalten, sondern auch über das Kristallorientierungsgefüge des Eises.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1.The results of calculations of the dielectric tensor and birefringence for different examples of fabric types.

Figure 1

Fig. 2.The anisotropy (ε33 — ε11)/(b—a) of some examples of fabric type relative to the single crystal anisotropy. In Figure 2. 1, curve A is the relative anisotropy of the distribution of Figure 1.1, plotted against θ0, and carve B is the relative anisotropy of a Gaussian distribution of crystal axes, with a half angle θ0 (i.e. p exp (— θ2/θ02)). In Figure 2.2, curve A shows the relative anisotropy of the distribution of Figure 1. 2, again plotted against θ0. Curves B, C, D are the relative anisotropies of distributions which are Gaussian about θ0 (ρ exp {— (θ —θ0)2/W2}) with half-widths W of 10°, 20°, and 30° respectively.

Figure 2

Fig. 3.The fabric predicted at DYE-3 (on a horizontal projection with the vertical normal to the page) on the basis of the surface strain-rates at DYE-3. The strain is predominantly extensive longitudinally (in the direction of flow), and compressive vertically, with a slight transverse extension.

Figure 3

Table I.Deduced birefringence of cores of known fabrics and values of single-crystal anisotropy needed to give the observed DYE-3 birefringence

Figure 4

Fig. 4.Top mid middle rows: Fabrics at selected depths from the deep drill hole at “Byrd” station (after Gow and Williamson, 1976). Bottom row: Fabrics at selected depths from the Ross Ice Shelf at Little America V (after Gow, 1970).