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Ground-penetrating radar assisted ice core research : The challenge of Alpine glaciers and dielectric ice properties

Bohleber, Pascal

German Title:

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Abstract

Ice cores from Alpine drilling sites may provide long-term climate records. They are more complicated to interpret than their polar counterparts, however. The present thesis investigates the assistance for Alpine ice core research via ground-penetrating radar (GPR). First, the potential for reconstructing atmospheric signals is assessed for stable water isotope records based on a multi-core array at Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4450 m asl). Here, a common atmospheric signal is revealed by time series analysis though adequate knowledge of the age-depth distribution is still needed for proper interpretation. Mapping isochronous GPR-reflections allows to consistently link the ice core chronologies up to 80 years before present. This is extended up to 120 years and over the whole drilling area by simple 2.5-dimensional flow modelling. Interpreting GPR-reflections in terms of physical ice core properties crucially relies on the complex dielectric permittivity. Aimed at investigating this material property specifically at radio-frequencies, previously constrained by sparse data only, a coaxial transmission line is adapted for glacier ice. Measurements of pure, artificial and natural ice samples between 1 MHz and 1.5 GHz at –20°C reveal for the permittivity of isotropic ice a real part of 3.16 +/- 0.03. The only signs of dispersion are found below 10 MHz, potentially associated with the high frequency tail of the Debye-dispersion.

Translation of abstract (German)

Auch aus Eiskernen alpiner Bohrplätze lassen sich klimarelevante Zeitreihen gewinnen. Im Vergleich zu polaren Eiskernstudien ist deren Interpretation jedoch wesentlich komplexer. Die vorliegende Arbeit untersucht, inwieweit Eisradarmessungen geeignet sind, alpine Eiskernstudien zu unterstützen. Hierzu werden zunächst Messreihen stabiler Wasserisotope aus vier Eiskernen des Gletschers Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4450 m ü. NN) mittels Zeitreihenanalysen auf ein gemeinsames, atmosphärisches Signal hin untersucht. Hieraus ergibt sich, dass zur adäquaten Interpretation dieses Signals die Kenntnis der Alters-Tiefenverteilung des Probennahmegebietes unerlässlich ist. Das Verfolgen von isochronen Radarreflexionen erlaubt es, die Eiskerndatierungen über die letzten 80 Jahre konsistent miteinander zu verbinden und mittels einfacher, 2.5 dimensionaler Fließmodellierung auf die letzten 120 Jahre sowie den gesamten Bohrplatz zu erweitern. Die Interpretation von Radarreflexionen als physikalische Eigenschaften von Eiskernen wird erst mittels der komplexen dielektrischen Permittivität möglich. Um diese Materialeigenschaft auch im Bereich von Radarfrequenzen zu untersuchen, in dem sie gegenwärtig nur unzureichend bekannt ist, wurde ein Aufbau zur Permittivitätsmessung mittels eines koaxialen Wellenleiters für Gletschereis angepasst. Messungen von künstlichen und natürlichen Eisproben zwischen 1 MHz und 1.5 GHz bei –20°C ergaben einen Realteil der Permittivität von 3.16 +/- 0.03. Dispersion wurde nur bei Frequenzen unterhalb 10 MHz beobachtet, was möglicherweise auf den hochfrequenten Teil der Debye-Relaxation in Eis zurückzuführen ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Eisen, Dr. PD Olaf
Date of thesis defense: 18. November 2011
Date Deposited: 01. Dec 2011 11:46
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Eiskern, Elektromagnetische Reflexionsmethode, Eis, Gletscher, Gletscherfließen, Datierung, Klimatologie, Dielektrizitätszahl
Uncontrolled Keywords: stabile Wasserisotope , delta O-18ice core , GPR , glacier , flow model , ice , permittivity , coaxial cell , transmission line , stable water isotopes , delta O-18
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