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Crystal Growth and the Formation of Spikes in the Surface of Supercooled Water

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

J. Hallett*
Affiliation:
Department of Meteorology, Imperial College, London
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Observations made of ice crystals growing on the surface of supercooled water show that they take the form of a composite structure, called surface needles, each of which consists of dendrites growing into the liquid, and of ribs growing in the liquid surface. Each needle is a single crystal. The precise form of the needle is determined by the orientation of the initial nucleus. If its optic axis is near normal to the surface, growth occurs rapidly in two dimensions and covers a much larger proportion of the surface than is covered by the narrow surface needles, so that ice forming this way appears to have its optic axis vertical. Hollow ice spikes observed on pools are shown to have been formed by the freezing of water forced from beneath the surface at the intersection of two or three surface needles, the shape of the spike depending on their orientation.

Résumé

Résumé

Des observations faites sur des cristaux de glace en train de se former à la surface d’eau surfondue. montrent clue ces cristaux revêtent la forme d’une structure composite, dite “aiguille de surface”, et que chacune de ces structures comprend des dendrites qui s’arborisent vers le bas, dans le liquide, et en même temps des arêtes qui s’étendent sur la surface. Chaque aiguille constitue un seul cristal. La forme précise de l’aiguille est déterminée par l’orientation du noyau originel. Si l’axe optique de l’aiguille est prés de 90° de la surface, la croissance se produit rapidement dans deux dimensions, et recouvre de glace une proportion plus considérable de la surface que ne le font les aiguilles de surface minces, de sorte que fa glace qui se forme de cette maniére semble avoir un axe optique vertical. On a constaté que les pointes creuses qu’on observe sur des étangs et sur des bassins d’eau se forment par la congélation d’eau forcée d’en dessous vers la surface juste au point d’intersection de deux ou trois aiguilles, et la forme précise de ces pointes est également commandée par l’orientation des aiguilles.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Beobachtungen an Eiskristallen, die auf der Oberfläche untergekühlten Wassers entstehen, zeigen, dass sie eine zusammengesetzte Struktur, die sogenannten Oberflächennadeln, aufweisen. Jede Nadel besteht aus Dendriten, die in das Wasser hineinragen, und aus auf der Oberfläche wachsenden Rippen. Jede Nadel stellt einen Einzelkristall dar. Die genaue Form der Nadel wird von der Orientierung des ursprünglichen Keimes bestimmt. Steht seine optische Achse fast senkrecht zur Oberfläche, so wächst er rasch und zwci-dimensionell und nimmt einen viel grösseren Teil der Oberfläche ein als die schmalen Oberflächennadeln, so dass es den Anschein hat, dass die optische Achse des sich auf dieser Weise bildenden Eises senkrecht ist. Es wird gezeigt, dass auf Pfühlen beobachtete hohle Eisspiesse durch das Gefrieren des Wassers entstehen, das von unter der Oberläche emporgetrieben wird, wo sich zwei oder drei Oberflächennadeln durchschneiden. Deren Orientierung bestimmt die Form des Spiesses.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1960
Figure 0

Fig. 1.Part of a surface needle showing dendrites with hexagonal symmetry, which were growing into the liquid at an angle of about 70° 10 the surface. The ribs, which are growing on the surface, are visible in the upper part of the photograph

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Fig. 2.Diagram to show how the slope of a surface needle is related to the orientation of the nucleus

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Fig. 3.Section PXB through the surface needle

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Fig. 4.Spike produced by freezing of a melt-water pool of volume about 1 litre. The spike had completely frozen, although the ice on the pool surface was only 1 cm. thick

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Fig. 5.A hollow spike, 10 cm. in length, produced by the freezing of a large melt-water pool, volume 100 litres. One side had partly melted when this photograph was taken

Figure 5

Fig. 6.View down the hollow spike shown in Figure 5

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Fig. 7.A section through the base of a spike examined under crossed polaroids

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Fig. 8.Crystal structure of a spike. The arrows show the direction of the optic axis of each crystal