Mechanismen der Eisdeformation

Die großen Eismassen, gespeichert in den polaren Eisschilden, sind die Hauptsüßwasserspeicher der Erde und haben daher einen potenziell riesigen Effekt auf die Entwicklung des Meeresspiegels. IPCC zeigte auf, dass die Eisfließdynamik und damit physikalische Prozesse der Eisbewegung Richtung Ozean und Abschätzungen dazu unzureichend verstanden sind. Die Eisfließdynamik muß damit als die Hauptfehlerquelle für die Meerespiegelvorhersagen gesehen werden. Eine von zwei Hauptkomponenten, die das dynamische Fließen steuern, ist die interne Deformation des Eiskörpers.

Jedes großräumige Fließen von Material im Festzustand, auch von riesigen Körpern, wird tatsächlich durch Deformation auf kleineren Maßstäben durchgeführt, bis hin zu Kristallit- und Subkorn- sowie auch Molekül- und Atomskalen. Da diese Deformationsmechanismen die Rheologie wesentlich kontrollieren, ist das Verständnis dieser Prozesse entscheidend für tief gehendes Wissen und Vorhersagen zur Eisdynamik. Abhängig von den Bedingungen (z.B. Tiefe im Eisschild, Geschwindigkeit der Deformation, Temperatur) werden kleinste Volumina von Eis (z.B. molekulare Gruppen, Gitterebenen, Korngrenzen) durch verschiedene Mechanismen aktiviert, deren Bewegung dann zusammengenommen die Formänderung des Eisschildes ausmacht.

Diese kleinskaligen Deformationsmechanismen hinterlassen Spuren in Kristallitmorphologie und Kristallitorientierungen (Mikrostruktur), die genutzt werden können um die relevanten Mechanismen zu identifizieren. Diese Spuren findest man z.B. sowohl in der Korngröße, -form, Kristallorientierungsverteilungen sowie in Auftreten, Misorientierung und Typen von Subkorngrenzen , als auch in Versetzungsdichten und -typen.

Die mechanische Eigenschaften werden zusätzlich durch Rekristallisationsprozesse verändert, die im wesentlichen durch Deformationsenergie und Temperaturwechsel getrieben und ebenfalls in der Mikrostruktur abgebildet werden.

Wir untersuchen Deformationsmikrostrukturen in Eiskernproben aus Grönland und der Antarktis mit den folgenden Methoden:

a) EBSD map eines Teilkorns (EDML 655,9 m) mit mehreren Arten von Subkorngrenzen (einige markiert). b) globale Kornorientierung. c) Rotationsachsen der Mißorientierung der Subkorngrenzen aus a. d) Interpretation. (Grafik: Ilka Weikusat, Alfred-Wegener-Institut)

Electron Backscatter Diffraction (EBSD, in Kooperation mit Prof. Dr. Martyn Drury, Utrecht University, The Netherlands)

Die Beugung von rückgestreuten Elektronen im Rasterelektronenmikroskop ermöglicht die Bestimmung der Kristallorientierung aller Achsen (c- und a-Achsen) von Eiskernproben in hoher räumlicher (~3µm) und Winkelauflösung (relative Orientierung ~0.5°). Wir verwenden EBSD in erster Linie um Subkorngrenzen und deren Versetzungstypen zu quantifizieren.

 

Mikrostrukturmodellierung (in Kooperation mit Prof. Dr. Paul Bons, Eberhard Karls Universität Tübingen & Dr. Albert Griera, Universitat Autònoma de Barcelona)

Die Mikrostrukturmodellplattform ELLE ist einer der wichtigsten numerischen Modellcodes in den Geowissenschaften. ELLE simuliert Mikrostrukturen mit Hilfe eines Fronttracking Ansatzes und wurde kürzlich um eine Full-field viscoplastische Formulierung basierend auf der Fast Fourier Transformation erweitert. FFT/ELLE ist in der Lage die Entwicklung der Mikrostruktur von Eis während plastischer Deformation mit Rekristallisation zu simulieren. Dabei können verschiedene Mechanismen in unterschiedlicher Intensität wirken gelassen werden, um deren Effekte auf die Mikrostruktur zu untersuchen. Zum einen wird plastische Deformation mit Beachtung der hohen mechanischen Anisotropie von Eis benötigt, zum anderen spielt die Rekristallisation im "heißen Material" Eis eine große Rolle (homologe Temperatur >0.8 in natürlichem Vorkommen).

Mitglieder

Dr. Daniela Jansen

Jan Eichler

Ina Kleitz

Maria-Gema Llorens (Tübingen)

Florian Steinbach (Tübingen)

Felicitas Mundel (Tübingen)

Johanna Kerch (Heidelberg)

Ernst-Jan Kuiper (Utrecht)

Assoziierte Mitglieder

Dr. Tobias Binder

Dr. Jens Rößiger

Dr. Christian Weikusat

Dr. Maddalena Bayer

Alumni

Anneke Tammen (Mainz)

Eric Gleiß (Heidelberg)

Julien Westhoff (Tübingen)

Sophie Ehrhardt (Leipzig)

Lißbeth Langhammer (Berlin)

Yasuyuki Oishi (Nagaoka, Japan)

Jakub Surma (Köln)

Wataru Shigeyama (Nagaoka, Japan)

Kooperationspartner

Prof. Dr. Sergio H. Faria  BC3, Bilbao

Prof. Dr. Paul D. Bons  Universität Tübingen

Prof. Dr. Martyn R. Drury  Utrecht University

Dr. Albert Griera  University Barcelona

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