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The Activation Energies of Temperate Snow Samples

  • L. T. Traub (a1) and P. W. F. Gribbon (a1)

Abstract

The temperature dependence of the high-frequency conductivity of snow was studied for eight samples in the range — 10°C to — 80°C. The activation energies for granular snow varied from 0.60 eV at temperatures down to — 25°C to 0.24 eV at temperatures below — 25°C, and for dry snow from 0.42 eV to 0.18 eV in the same temperature ranges. Dry snow samples had higher conductivities and lower activation energies than granular icy samples throughout the complete temperature range.

Volume and surface conduction processes were operative. At the higher temperatures above — 25°C volume conduction was attributed to Bjerrum defect migration, while at lower temperatures Bjerrum conduction was replaced by ionic-defect conduction. Granular samples which had experienced melting and reflecting on the surface of the crystals have a structural change which decreased the ionic-defect density at the surface and lowered the sample conductivity.

Above — 25°C, the activation energies for granular icy snow were consistent with those for temperate glacier ice and for laboratory single and polycrystalline ice samples, but was not in agreement with those of either polar snow or ice. Below — 25°C, the activation energies for granular snow were consistent with those for temperate glacier ice, containing impurities, and for polar snow and ice. Fresh dry temperate snow-samples had lower activation energies than in situ polar snow.

Résumé

La dépendence avec la température de la conductivité haute fréquence de la neige a été étudiée avec huit échantillons dans le domaine de température compris entre — 10 et — 80°C. Les énergies d’activation pour la neige granulaire varient de 0,60 eV pour des températures supérieures à — 25°C à 0,24 eV pour des températures inférieures et, dans le cas de la neige sèche, de 0,42 eV à 0,18 eV dans les mêmes domaines de température. Les échantillons de neige sèche présentent une conductivité plus élevée et une énergie d’activation plus faible que les échantillons de neige granulaire à toutes températures.

Des processus de conduction en volume et en surface interviennent. Au-dessus de — 25°C, la conduction en volume est attribuée à la migration des défauts de Bjerrum tandis qu’aux températures plus basses prédomine la conduction par défauts ioniques. Les échantillons granulaires qui ont subi une fusion et un regel en surface, présentent un changement structural correspondant à une décroissance de la densité de défauts ioniques à la surface et, ainsi, une diminution de la conductivité.

Au-dessus de — 23°C, les énergies d’activation de la neige granulaire sont en accord avec celles observées dans le cas de la glace de glaciers tempérés ou dans le cas d’échantillons mono- ou polycristallins de glace de laboratoire; elles sont, par contre, différentes de celles obtenues avec la neige ou la glace polaire. Au-dessous de—25°C, les énergies d’activation pour la neige granulaire sont en accord avec celles de la glace des glaciers tempérés contenant des impuretés ainsi qu’avec celles de la neige et de la glace polaires. Les échantillons de neige fraiche, tempérée et sèche présentent des énergies d’activation plus faibles que celles obtenues in situ dans le cas de neige polaire.

Zusammenfassung

Die Temperaturabhängigkeit der Hochfrequenzleitfähigkeit von Schnee wurde an acht Proben im Bereich von — 10°C bis — 80°C untersucht. Die Aktivierungsenergien reichten für körnigen Schnee von 0,60 eV (bei Temperaturen bis herab zu — 25°C) bis zu 0,24 eV (bei Temperaturen unterhalb — 25°C) und für trockenen Schnee von 0,42 bis 0.18 eV in denselben Temperaturbereichen. Trockene Schneeproben hatten im gesamten Temperaturbereich höhere Leitfähigkeiten und niedrigere Aktivierungsenergien als körnige, eisartige Proben.

Es waren Volumen- und Oberflächenleitfähigkeitsprozesse wirksam. Bei Temperaturen oberhalb — 25°C wurde die Volumenleitung der Wanderung von Bjerrumfehlern zugeschrieben, während bei niedrigeren Temperaturen die Bjerrumfehlerleitung durch Ionenfehlerleitung ersetzt wurde. Körnige Proben, die an der Kristalloberfläche geschmolzen und wieder gefroren waren, zeigten einen Strukturwechsel, der die Ionenfehlerdichte an der Oberfläche und die Leitfähigkeit der Probe erniedrigte.

Oberhalb — 25°C stimmte die Aktivierungsenergie für körnigen, eisartigen Schnee mit der für temperiertes Gletschereis und ein- und vielkristallines Laboreis überein, aber nicht mit der für Polarschnee oder Polareis. Unterhalb — 25°C stimmte die Aktivierungsenergie für körnigen Schnee mit der für temperiertes Gletschereis mit Verunreinigungen und der für Polarschnee und Polareis überein. Frische, trockene, temperierte Schneeproben zeigten niedrigere Aktivierungsenergien als Polarschnee in situ.

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