Mechanical Properties of Antarctic Sea Ice : Mechanische Eigenschaften von antarktischem Meereis
Sea ice in the Antarctic is crucial for the global climate. Its seasonal variations are of significant importance for Antarctic bio-habitat, primary production, heat, and carbon dioxide uptake of the ocean. However, the annual sea ice cycle, with extensions and declines in the Southern Ocean, is not completely understood yet. One reason for this is the poor understanding of the mechanical properties of Antarctic sea ice, which differ from the ones of the Arctic sea ice. To overcome the gap, the rheological properties of frazil ice and the compressive strength of pancake ice as well as consolidated sea ice were measured during three SCALE cruises in the marginal ice zone of the Antarctic. Frazil ice, consisting of small ice crystals floating in water, is the first ice forming in the annual freezing cycle of the Antarctic. It later develops into consolidated pancake ice floes and afterward into a consolidated sea ice cover.
The rheological properties of frazil ice are determined with the help of a vane rheometer immediately after sampling the ice from the Southern Ocean. The flow curve of frazil ice can be separated into three phases: In the beginning (1) the shear stress increase caused by hooking of the crystals, followed by (2) a shear stress decrease caused by detangling of the crystals and ultimately (3) shearing between the crystals in the third phase. Frazil ice shows a shear thinning behavior in the third phase with a flow index of n = 0.5.
Sea ice compressive strength is tested with two different hand-driven compression jigs. Tests are performed at –10 °C after a short-time storage with a strain rate in the ductile-to-brittle transition zone, as this yields the highest strength. Compressive strength results are presented depending on porosity, brine volume, and sea ice depth. Sea ice strength is higher in spring than in winter, and Antarctic sea ice is generally weaker than its Arctic counterpart.
Die rheologischen Eigenschaften von Frazil-Eis werden mit Hilfe eines Vane-Rheometers direkt nach der Entnahme von Eisproben aus dem Ozean bestimmt. Die Fließkurve von Frazil-Eis lässt sich in drei Phasen unterteilen: (1) Anstieg der Scherspannung durch Verhaken der Kristalle, (2) Abnahme der Scherspannung durch Zerstören größerer Kristallagglomerationen und (3) Reibung zwischen den Kristallen in der dritten Phase. Frazil-Eis zeigt in der dritten Phase ein scherverdünnendes Verhalten mit einem Fließindex von n = 0,5.
Die Druckfestigkeit von Meereis wird mit zwei verschiedenen handbetriebenen Druckversuchen geprüft. Die Tests werden bei -10 °C nach kurzzeitiger Lagerung mit einer Dehnungsrate im Bereich des Übergangs von duktilem zu sprödem Bruch durchgeführt, da dies die höchsten Festigkeiten liefert. Die Ergebnisse der Druckfestigkeit werden in Abhängigkeit von Porosität, Salzgehalt und Meereistiefe dargestellt. Die Festigkeit des Meereises ist im Frühjahr höher als im Winter. Das antarktische Meereis ist im Allgemeinen schwächer als sein arktisches Gegenstück.