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Measurements of grain boundary networks in deep polar ice cores - A digital image processing approach

Binder, Tobias

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Abstract

Ice covers a significant part of the Earth’s surface and is one key component of the global climate system. A thorough understanding of ice flow is crucial for modeling the response of ice sheets to past and upcoming climate changes. Glen’s law, a experimentally derived exponential relationship between stress and strain rate, is usually applied. However, it does not adequately capture microstructural changes observed for high total shear strains and long time scales which cannot be reproduced by laboratory experiments. Deep ice cores provide insights into the natural evolution of microstructure (grain boundary networks). Large sets of sublimation groove images, mapping grain boundaries in high resolution, are available along the EDML (East Antarctica) and NEEM (Greenland) ice cores. A digital image processing approach has been developed to derive grain size, grain shape, shape of grain boundaries, and density of sub-grain boundaries in a consistent way. An automatic assignment to c-axes orientation measurements allows estimating the error of calculated parameters. Depth profiles along both ice cores are presented and interpreted based on variations in impurity content, temperature differences, and involved time scales. Furthermore, the presence of effective negative pressures caused by air bubbles and clathrate hydrates is taken into account.

Translation of abstract (German)

Eis bedeckt einen signifikanten Teil der Erdoberfläche und ist eine Schlüsselkomponente des globalen Klimasystems. Umfassende Kenntnisse des Eisfließens sind entscheidend für die Modellierung der Reaktion von Eisschilden auf vergangene und zukünftige Klimawechsel. Glens Gesetz, ein experimentell abgeleiteter Zusammenhang zwischen Spannung und Verformungsrate, wird üblicherweise verwendet. Jedoch erfasst dieser nicht die mikrostrukturellen Änderungen, die für hohe gesamte Schubverformungen und lange Zeitskalen beobachtet werden, welches durch Laborexperimente nicht reproduziert werden kann. Tiefe Eisbohrkerne geben Einblick in die natürliche Entwicklung der Mikrostruktur (Korngrenznetzwerke). Große Bilddatensätze von Sublimationskerben, die Korngrenzen hochaufgelöst abbilden, sind entlang der EDML (Ostantarktis) und NEEM (Grönland) Eisbohrkerne verfügbar. Eine digitale Bildverarbeitungs-Methode wurde entwickelt, um Korngröße, Kornform, Korngrenzform und die Subkorngrenzdichte systematisch zu bestimmen. Eine automatische Zuordnung zu gemessenen c-Achsen Orientierungen erlaubt es die Fehler der berechneten Parameter abzuschätzen. Tiefenprofile entlang beider Eisbohrkerne werden gezeigt und interpretiert auf Grundlage von Variationen im Staubgehalt, Temperaturdifferenzen und der beteiligten Zeitskalen. Daneben wird die Sogwirkung von Blasen und Klathrathydraten berücksichtigt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Garbe, PD Dr. Christoph
Date of thesis defense: 15 April 2014
Date Deposited: 16 May 2014 11:57
Date: 2014
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Eiskern, Mikrostruktur, Korngrenze, Hochtemperaturkriechen, Antarktisforschung, Bildsegmentierung, Korrelative Mikroskopie
Uncontrolled Keywords: Sublimation groove image, grain boundary network, EDML ice core, NEEM ice core, c-axis orientation, air bubble, effective negative pressure
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