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Dielectric Relaxation in Temperate Glaciers

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

P. W. F. Gribbon*
Affiliation:
Department of Physics, School of Physical Sciences, University of St. Andrews, Fife, Scotland
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The dielectric relaxation of névé and glacial ice has been studied on two temperate glaciers in Greenland and France. Measurement of the capacitance and loss tangent in the audio-frequency range of thin parallel wires placed on the surface of a glacier gave ϵ′, the relative permittivity, and ϵ″, the loss factor of the névé. The relaxation time can be expressed in terms of the frequency f m at the maximum ϵ″ value of the Cole-Cole ϵ″−ϵ′ diagram, and its variation with depth was derived from the Cole-Cole diagrams obtained for different wire separations.

For wet 0°C. surface snow in Greenland, f m ≈ 4 kHz. and decreased with the increase in density and form factor at greater depths, while for the low-density, cold surface névé in France f m ≈ 2 kHz. and increased with the increase in temperature at greater depths. All Cole-Cole diagrams showed both impurity-ion losses at low frequencies below 6 kHz., and a spreading factor of the distribution in relaxation times caused by the changes in the physical properties of the glacier with depth. Although the method could not measure temperatures absolutely, relative temperature differences and the position of the 0°C. isotherm were detected when a temperature gradient existed in a glacier.

La relaxation diélectrique du névé et de la glace de glacier a été étudiée pour deux glaciers tempérés du Groenland et de France. La mesure de la capacitance et de la tangente de perte pour les audio-fréquences de cables fins parallèles placés à la surface d’un glacier donne la permitivité relative ϵ′, et le facteur de perte du névé ϵ″. Le temps de relaxation peut s’exprimer en fonction de la fréquence f m à la valeur maximum ϵ″ du diagramme de Cole-Cole ϵ″−ϵ′. et sa variation en fonction de la profondeur a été déduite des diagrammes de Cole-Cole obtenus pour différents écartement des cables.

Pour la surface humide à 0°C: de neige au Groenland, f m ≈ 4 kHz et décroît avec la croissance avec la profondeur de la densité et du facteur de forme, alors que pour la surface d’un névé froid à faible densité en France f m ≈ 2 kHz qui croissait avec la croissance de la température avec la profondeur. Tous les Cole-Cole diagrammes montraient à la fois ties pertes par impuretés et ions à de basses fréquences inférieures à 6 kHz, et un facteur de dispersion de la distribution des temps de relaxation causée les changements des propriétés physiques du glacier avec la profondeur. Quoique la méthode ne puisse servir à mesurer les températures absolues, les différences de temperature relative et la position de l’isotherme 0°C ont été détectées lorsque dans un glacier existe un gradient de température.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die dielektrische Relaxation von Firn und Gletschercis wurde an zwei temperierten Gletschern in Grönland und Frankreich untersucht. Die Messung der Kapazitanz und der Verlustspannung im Audiofrequenzbereich dünner paralleler Drähte auf der Gletscheroberfläche lieferte ϵ′, die relative Dielektrizitätskonstante. und ϵ″, den Abfallkoefizienten des Firnes. Die Relaxationszeit kann durch die Frequenz f m beim Maximalwert für e” im Cole-Cole-Diagramm für ϵ″−ϵ′ ausgedrückt werden; ihre Änderung mit der Tiefe wurde aus Cole-Cole-Diagrammen hergeleitet, die für verschiedene Drahtanordnungen aufgestellt wurden.

Für feuchten Oberflächcnschnee von 0°C: in Grönland war f m ≈ 4 kHz und nahm mit dem Anwachsen der Dichte und des Formfaktors in grösserer Tiefe ab. Im lockeren. kalten Oberflächenfirn in Frankreich war f m ≈ 2 kHz und nahm mit der Temperatur in grösserer Tiefe zu. Alle Cale-Cule-Diagramme zeigten sowohl Ionenvcrluste durch Verunreinigungen bei niedrigen Frequenzen unter 6 kHz als auch einen Streuungsfaktor in der Verteilung der Relaxationszeiten, der durch die Änderung der physikalischen Eigenschaften des Gletschers mit der Tiefe hervorgerufen wird. Obwohl die Methode keine absoluten Temperaturen zu messen erlaubte, so lieferte sie doch relative Temperaturen und die Inge der 0°C-Isotherme. wenn im Gletscher ein Tempera turgradient vorhanden war.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1967
Figure 0

Fig. 1. A Cole-Cole diagram of compact snow of density 0.4 g. cm.−3 at −9.0°C. (after Ozawa and Kuriowa, 1958)

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Fig. 2. A Cole-Cole diagram for wet snow of density 0.4 g. cm.−3 at 0°C. (Curve c), and for the. same snow sample at −9.0° C. (Curve d) (after Ozawa and Kuriowa, 1958)

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Fig. 3. A Cole—Cole diagram for wet snow, measured on the “Big Array” glacier in West Greenland

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Fig. 4. A Cole—Cole diagram for glacial ice, measured on the “Big Array” glacier when the air temperature was below 0°C.

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Fig. 5. A Cole–Cole diagram for the névé of the Vallée Blanche, Francs. c1. and c2 are the centres of the two semicircles

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Fig. 6. The variation of the frequency fm, at the mtlrirnum ϵ″ valve of the Cole—Cole semicircles, with the half-separation b/2. The solid-line error bars are the probable errors associated with two or more fm values, the dashed error bars refer to single fmvalues

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Fig. 7. The variation of the spreading factor a with the half-separation b/2 of the wire electrodes. Error bars are as in Figure 6

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Fig. 8. A hypothetical cross-section of a glacier illustrating the layer structure. The associated densities ρ, Formzahl u, and temperatures T at different depths are indicated. The semicircular field lines associated with the electrode positions (i), (ii), … are shown penetrating into layers 1, 2,…