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Growth Modes of Ice Crystals in Supercooled Water and Aqueous Solutions*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

H. R. Pruppacher*
Affiliation:
Department of Meteorology, University of California, Los Angeles, California, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The growth modes of ice crystals in supercooled water and various aqueous solutions were studied at different supercoolings by a motion-picture technique. ln pure water contained in plastic capillary tubes, ice dendrites formed which at supercoolings between 1 and 4°C. grew parallel to the tube axis. At supercoolings larger than 4°C. the direction of growth was inclined to the tube axis such that the dendrites hit the tube wall and afterwards proceeded growing in a new direction. As a result it appeared that the ice crystals grew in a zig-zag or screw fashion. This growth mode became enhanced when the supercooling was increased or salts were dissolved in the water. In large water drops, ice dendrites formed which at supercoolings smaller than 1°C. were co-planar with the seed crystal and between 1° and 5°C. split into two dendritic segments. At supercoolings larger than 5°C. multiple splitting of the seed crystal was observed and this became strongly enhanced when salts were dissolved in the water. Tentative explanations for these results are given.

Résumé

Résumé

Les formes de croissance de la glace, dans de l’eau surfondue et dans des solutions aqueuses variées, furent étudiées à différents stades de refroidissement à l’aide d’une technique cinématographique. Il fut trouvé que la forme de croissance de la glace dans l’eau et dans des solutions aqueuses était dendritique. Des tests, effectués dans des tubes capillaires de plastique, ont montré que, à des refroidissements compris entre 1 et 4°C, deux dendrites, dont la direction de croissance était parallèle ä l’axe du tube, furent formées dans l’eau surfondue. A des refroidissements plus grand que 4°C, des dendrites de direction de croissance inclinée par rapport à l’áxe du tube se formèrent en nombre croissant touchant la paroi du tube pour croitre dans une nouvelle direction. Il en résulte une croissance des cristaux de glace en zigzag ou en hélice, renforcée quand le refroidissement augmentait ou quand des sels étaient dissous dans l’eau. Dans de grandes gouttes d’eau, des cristaux dendritiques de glace qui, à des refroidissements plus pettits que 1°C étaient coplanaires avec le cristal-semence et qui, à des refroidissements compris entre 1° et 5°C se scindèrent en deux segments dendritiques, furent formés. A des refroidissements plus grands que 5°C, une multiple scission du cristal-semence, fortement accrue par des sels dissous dans l’eau, fat observée. Des tentatives d’explication de ces résultats sont données.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Wachstumsformen von Eis in unterkühltem Wasser und verschiedenen wässerigen Lösungen wurden als Funktion der Unterkühlung mit Hilfe einer kinematographischen Methode untersucht. In reinem Wasser, das sich in Plastikkapillaren befand, bildeten sich Eisdendrite, die bei Unterkühlung zwischen 1° und 4°C parallel zur Kapillarachse wuchsen. Bei Unterkühlungen grösser als 4°C neigte sich die Wachstumsrichtung gegen die Kapillarachse so, dass die Dendrite gegen die Kapillarwand stiessen und von dort in neuer Richtung weiterwuchsen. Als Folge erschien das Wachstum zickzack — oder schraubenförmig. Diese Wachstumsart steigerte sich bei verstärkter Unterkühlung oder wenn Salze im Wasser gelöst wurden. In grossen Wassertropfen bildeten sich Eisdendrite, die bei Unterkühlung von weniger als 1°C coplanar mit dem Impfeiskristall waren, zwischen 1° und 5°C sich aber in zwei Dendritsegmente aufspalteten. Bei Unterkühlungen grösser als 5°C wurden mehrere Spaltungen des Impfeiskristalls beobachtet, was sich noch verstärkte, wenn Salze im Wasser gelöst wurden. Es werden mögliche Erklärungen für diese Ergebnisse angegeben.

Information

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

Fig. 1.Variation of ice-crystal habit with supercooling and salt content in drops 2 cm. in diameter (from 16 mm. motion picture film). The crystallographic c-axis of the seed crystal lies in the photographic plane.a. Pure water (supercooling 1°C.); b. Pure water (supercooling 2.6°C.); c. As b but after initial growth stopped; d. Detail of c; e. Pure water (supercooling 3.2°C.); f. Pure water (supercooling 3.9°C.); g. Pure water (supercooling 4.3°C.); h. Pure water (supercooling 5.5°C.); i. Pure water (supercooling 6.1°C.); j. Pure water (supercooling 9.0°C.); k. Pure water (supercooling 11.7°C.); l. Pure water (supercooling 9.1°C.); m. LiCI solution (0.1 molar; supercooling 2.6°C.); n. CsCI solution (0.1 molar; supercooling 3.0°C.):0. CsF solution (0.1 molar; supercooling 3.6°C.); p. CsCI solution (0.1 molar; supercooling 5.1°C.); q. KCl solution (0.8 molar; supercooling 8.0°C.)

Figure 1

Fig. 2.Variation with supercooling of the angle 2α between the two principal growth directions of ice in pure water (α =angle between principal growth direction and basal plane of seed crystal)

Figure 2

Fig. 3.Variation with supercooling of the angle 2α between the two principal growth directions of ice in 0.1 molar aqueous ammonium and 0.1 molar aqueous hydrofluoric acid solution (α = angle between principal growth direction and basal plane of seed crystal)

Figure 3

Fig. 4.Variation with supercooling of the angle 2α between the two principal growth directions of ice in various 0.1 molar aqueous sodium and caesium solutions (α = angle between principal growth direction and basal plane of seed crystal)

Figure 4

Fig. 5.Growth mode of ice in a drop of aqueous NH4Br solution (from 16 mm. motion-picture film); salt concentration 0.1 mole l.−1; supercooling 3.6°C.; drop diameter 2 cm. The crystallographic c-axis of the seed crystal is perpendicular to the photographic plane

Figure 5

Fig. 6.Formation of ice structures in supercooled wader by the stepped growth mechanism proposed by Macklin and Ryan (adapted from Macklin and Ryan (1965))