Permeability of young sea ice from microtomographic images

The author has since publication changed name to: Juliane Borge.

The permeability of sea ice controls the transport of substances through the ice and thereby its surface properties as well as the exchange of heat, salt and gas between ice, ocean and atmosphere. More observations and understanding are necessary to properly implement the impact of permeability on sea ice melt and growth in models. This study employs and evaluates a microscopical approach to determine permeability. We combine structure-preserving field sampling with non-destructive synchrotron-based microtomography (SXRT) and lattice Boltzmann modelling (LBM) of fluid flow. Samples of young sea ice from Kongsfjorden, Svalbard, were centrifuged at their respective in situ temperatures before SXRT was performed at temperatures below -40°C, resulting in 3-dimensional images 1.2x1.2x1.7cm3 in size with a resolution of 11.84 μm. From these images microstructural characteristics of sea ice were derived and fluid flow through the samples was modelled with LBM at 22 and 35 μm resolution to obtain directional values of permeability for all three directions. Our method is limited to small sample sizes due to constraints with respect to computer memory and imaging. Therefore it might not be appropriate for all types of ice. With increasing computer memory and parallelization the applicability of this method will increase. Its major advantage over conventional permeability measurements is that it produces a 3-dimensional representation of the pore space which allows for the derivation of microstructural quantities and for modelling processes such as fluid flow or radiative transfer. Quantities derived from the microstructure were different porosities, a critical length scale, minor and major ellipse axis lengths, pore volume to surface ratio, two-point correlation length, pore radius and area distributions as well as measures of hydraulic and electrical tortuosity. Their intercorrelations and porosity dependence varied with ice type. Our data suggested a percolation transition at a porosity of about 7% for columnar ice both vertically and horizontally parallel to the plates. Permeability of columnar ice exhibited a horizontal anisotropy of 0.21 between flow parallel and perpendicular to the columns. No difference was found between horizontal flow parallel to the plates and vertical flow. This finding is relevant for field techniques of measuring sea ice permeability that strongly depend on the anisotropy factor. Furthermore, correlations between the permeability of columnar ice and porosities as well as several length scales indicated a strong dependence on effective porosity (the connected pore space) and the length scales describing pore necks and the smallest dimension of the pores. Power law regressions on porosities and length scales predicted permeability more accurately than common models derived from studies of sandstone permeability.

Havisens permeabilitet kontrollerer transporten av stoffer gjennom isen og dermed dens overflateegenskaper samt utveksling av varme, salt og gass mellom is, hav og atmosfære. Flere observasjoner og mer kunnskap er nødvendig for å integrere permeabilitetens effekt på isvekst og smelting i modeller. Denne studien anvender og evaluerer en mikroskopisk tilnærming for å bestemme permeabilitet av havis. Vi kombinerer strukturbevarende prøvetaking med ikke-destruktiv synkrotron-basert røntgenmikrotomografi (SXRT) og gitter Boltzmann modellering (LBM) av væskestrømning. Prøver av ung havis fra Kongsfjorden, Svalbard, ble sentrifugert ved sine in situ temperaturer før SXRT ble gjennomført ved temperaturer under -40°C, resulterende i 1.2x1.2x1.7cm3 store 3D bilder med en oppløsning på 11.84μm. Disse bildene ble brukt til å finne mikrostrukturkarakteristikker og modellere væskestrømning gjennom prøvene med LBM på 22 og 35μmm oppløsning for å beregne permeabiliteter i alle tre retninger. Metoden vår er begrenset til små prøvestørrelser på grunn av begrensninger i dataminne og bildeteknikk og er derfor ikke like velegnet for alle istyper. Med økende dataminne og parallelisering vil bruksområdet til denne metoden vokse. Dens største fordel overfor konvesjonelle permeablitetsmålinger er at den produserer en 3D representasjon av porerommet i isen som tillater beregning av mikrostrukturmål og modellering av for eksempel væskestrøming eller strålingsoverføring. Størrelser beregnet utifra miktrostrukturen var forskjellige porøsiteter, en kritisk lengdeskala, store og små akselengder av ellipser, forhold mellom porevolum og -overflate, to-punktskorrelasjonslengde, poreradius- og arealfordelinger så vel som mål av både hydraulisk og elektrisk tortuositet. Interkorrelasjonene og porøsitetsavhengigheten varierte med istype. Våre data foreslår en perkolasjonsovergang ved ca. 7 % porøsitet for søyle-is (columnar) parallel til lagene. Permeabilitetene av søyle-is oppviste en horisontal anisotropi på 0.21 mellom strømning parallel og loddrett på lagene. Ingen anisotropi ble funnet mellom horisontal strømning parallel til lagene og vertikal strømning. Dette resultatet er relevant for feltmålinger av havispermeabilitet som er avhengige av anisotropifaktoren. Dessuten tyder undersøkelsen av korrelasjonen av permeabiliteten for søyle-is med porositetene og lengdeskalaene på en sterk avhengighet av effektiv porøsitet (forbundet porerom) og de lengdeskalaene som beskriver porehals og den korteste dimensjonen av porene. Regresjoner med potensfunksjoner av permeabilitet med porøsiteter og lengdeskalaer forutsa permeabiliteten bedre enn vanlige modeller fra studier av sandsteinpermeabiliteter.

GEOF399