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Grain Coarsening of Water-Saturated Snow

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Charles F. Raymond
Affiliation:
Geophysics Program, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
Katsutosi Tusima
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Experimental measurements were made of changes in grain-size distribution with time in snow saturated with solutions of various impurity contents. Qualitatively, the changes in grain-size distribution occur by shrinkage and eventual disappearance of the relatively small particles and growth of the relatively large particles by a solid mass-exchange process which conserves the total solid mass. The distribution of relative grain size is found to be essentially time independent except for transient effects lasting only several to several tens of hours after the time of initial saturation. Mean grain volume increases at a constant rate, which for solutions of impurity concentration less than about 0.01 mol 1–1 is (5 to 6) X 10–3 mm3 h–1. In pure solutions the smallest particles shrink at a characteristic rate of about 1 x 10–2 mm3 h–1. Once the steady relative-size distribution is established, the rate of volume change of typical grains varies linearly with grain volume from the characteristic negative rate for the smallest particles through zero for particles of mean volume to positive values for particles of larger volume. The basic features of the changes that take place are explained in terms of heat-flow controlled melting and freezing determined by temperature differences associated with the effect of particle surface curvature on melting temperature. The constant rate of increase of mean grain volume is a consequence of conservation of total ice volume. The expectation that particles of intermediate size would be neither shrinking or growing leads to the conclusion that the actual rate of increase in mean grain volume is about one-half the characteristic melting rate of the smallest particles, which fits the observations. The process of grain growth is slowed by impurities in a way which can be predicted from the melting-temperature depression caused by the impurity and its diffusion coefficient. The transport of heat between grain surfaces is largely through the liquid-filled gaps between them, but about 19% is conducted through the solid.

Résumé

Résumé

On a mesuré expérimentalement la variation avec le temps de la répartition des dimensions des grains dans la neige saturée avec des solutions de différentes teneurs en impuretés. Qualitativement les changements dans la répartition des dimensions des grains se produisent par réduction et éventuellement par disparition des particules relativement petites et grossissement des particules -relativement grandes au cours d’un processus d’échange de matière qui conserve la masse totale. La distribution de la dimension relative des grains apparaît comme essentiellement indépendante du temps à l’exception des effets transitoires qui retardent de seulement quelques dizaines d’heures le moment de l’équilibre après le moment de la saturation initiale. Le volume moyen du grain augmente à un rythme constant qui, pour des solutions de concentration en impuretés inférieures à environ 0,01 mol 11, est de 5 à 6 x 10–3 h–1. Dans des solutions pures, les plus petites particules décroissent à une vitesse caractéristique d’environ 1 X 10–2 mm3 h–1. Une fois qu’un état relatif de stabilité de la distribution a été atteint, la vitesse de changement de volume des grains moyens varie linéairement avec le volume du grain depuis la décroissance caractéristique des plus petits grains, en s’annulant pour les particules de taille moyenne jusqu’à la croissance pour les particules de plus gros volume. Le comportement de base des changements constatés s’explique par un mécanisme de gel et dégel contrôlé par le flux thermique à partir des différences de températures et avec l’effet de la courbure superficielle des grains sur la température de fusion. La vitesse constante d’accroissement du grain moyen est une conséquence de la conservation du volume total de glace. Le fait que l’on s’attende à ce que les particules de taille intermédiaire ne doivent ni décroître ni croître conduit à la conclusion que la vitesse réelle de croissance de la taille du grain moyen est environ la moitié de la vitesse caractéristique de fusion des plus petits grains, ce qui corrobore les observations. Le processus de croissance des grains est ralenti par les impuretés d’une manière qui peut être prévue à partir de la diminution de la température de fusion entraînée par la présence des impuretés et leur coefficient de diffusion. Le transport de chaleur entre les surfaces des grains se fait en grande partie par le liquide qui remplit les vides entre eux, mais environ 19% de cette chaleur transite à travers le solide.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die zeitliche Änderung der Korngrössen- vertailung in Schnee, der mit Lösungen verschiedenen Verunreinigungsgrades gesättigt war, wurde experimentell gemessen. Qualitativ erfolgen diese Änderungen durch Schrumpfen und eventuelles Verschwinden der relativ kleinen Partikel und Anwachsen der relativ grossen auf dem Wege eines Austauschprozesses fester Massen, bei dem die Gesamtheit der festen Masse erhalten bleibt. Die Verteilung der relativen Korngrösse ergibt sich im wesentlichen als zeitunabhängig, mit Ausnahme von Übergangserscheinungen, die nur einige oder einige 10 Stunden nach dem Zeitpunkt der anfänglichen Sättigung andauern. Das mittlere Kornvolumen wächst mit konstanter Geschwindigkeit, die für Lösungen mit einer Verunreinigungskonzentration von weniger als etwa 0,01 mol 1–1 (5 bis 6) X 10–3 mm3 h–1 beträgt. In reinen Lösungen schrumpfen die kleinsten Partikel mit einer charakteristischen Geschwindigkeit von etwa 1 X 10–2 mm3 h–1. Ist einmal die stationäre relative Grössenverteilung erreicht, so pendelt die Geschwindigkeit der Volumenänderung typischen Körner linear mit dem Kornvolumen zwischen der charakteristischen negativen Geschwindigkeit für die kleinsten Partikel über Null für Partikel mittleren Volumens zu positiven Werten für Partikel grossen Volumens. Die grundlegenden Erscheinungen der auftretenden Veränderungen lassen sich durch Schmelzund Gefriervorgänge unter Wärmefluss erklaären, die durch Temperaturdifferenzen, verbunden mit der Wirkung der Oberflächenkrümmung der Partikel auf die Schmelztemperatur, bestimmt werden. Die konstante Geschwindigkeit der Zunahme des mittleren Kornvolumens ist eine Folge der Erhaltung des Gesamtvolumens des Eises. Die Erwartung, dass Partikel mittlerer Grösse weder schrumpfen noch wachsen wüirden, führt zu dem Schluss, dass die tatsächliche Geschwindigkeit der Zunahme des mittleren Kornvolu- mens ungefähr halb so gross ist wie die charakteristische Schmekzgeschwmdigkeit der kleinsten Partikel, was mit den Beobachtungen übereinstimmt. Der Vorgang des Kornwachstums wird durch Verunreinigungen verlangsamt, und zwar auf eine Weise, die aus der Senkung der Schmelztemperatur infolge der Verunreini- gung und ihrem Diffusionskoeffizienten vorausbercehnet werden kann. Der Wärmetransport zwischen den Kornoberflächen erfolgt grösstenteils über die flüssigkeitscrfüillten Lücken zwischen ihnen, doch werden etwa 19% der Wärme durch die feste Phase geleitet.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Table I.Summary of experiments

Figure 1

Fig. 1.Photomicrographs of snow particles at various times after saturation with distilled water. Experiment 1.

Figure 2

Fig. 2.Cumulative distribution of particle diameters determined for subsamples from experiment 1. See Section 2.1 for definition of Ψd. Numbers give time in hours after saturation.

Figure 3

Fig. 3.Cumulative distribution of particle volumes in units of median volume for subsamples from experiment I. See Section 2.1 for definition of ψv*.

Figure 4

Table II.Results for distilled water

Figure 5

Table III.Results for solutions

Figure 6

Table IV.PRoperties of Solutions

Figure 7

Fig. 4.Mean volume versus time for all measurements listed in Table I. The data for v̄ versus t for any single experiment are adjusted by adding a constant to v̄ to adjust v̄0 in Tables II and III to a common value of 0.020 mm3, and in the case of an experiment with impure water t by scaling by dividing by (1+f) of Equation (15) with values of ƒ from Table IV.

Figure 8

Fig. 5.Configuration of ice cavity and ice particles for two types of experiments for measurements of single particles.

Figure 9

Table V.Rate of volume decrease of individual small particles

Figure 10

Fig. 6.Statistical particle trajectories deduced for experiment 1 from Equation (19). Numbers on curves give value of ψv at a reference time of 20 h.

Figure 11

Fig. 7.Rates of volume change of statistical particles deduced from Equation (20). Solid curve is deduced from representative curve of Figure 3; dashed curve is deduced from Equation (11), which corresponds to the dashed curve in Figure 3.

Figure 12

Fig. 8.Comparison of time-scaling parameter ƒ in Equation (15) observed experimentally and predicted theoretically from equation (39b), Straight Line corresponds to a value of qi\qw = 0.23 in Equation (39b).