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Leitfähigkeits- und Dichtemessung an Eisbohrkernen / Measuring the Conductivity and Density of Ice Cores

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Wilhelms, F. (1996): Leitfähigkeits- und Dichtemessung an Eisbohrkernen / Measuring the Conductivity and Density of Ice Cores , Diplom thesis, Universität Bonn.
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Polare Eiskerne sind ein Archiv über den Zustand der Atmosphäre und des Klimas in früherer Zeit. Die Messung der Leitfähigkeit von Eiskernen ermöglichtüber zeitlich datierte Horizonte mit vulkanogenen Spurenstoffen, in denen dieLeitfähigkeit erhöht ist, eine Datierung der Eiskerne. Aus der Dichte datierter Eiskerne kann die Akkumulationsrate bestimmt werden. In der vorliegenden Arbeit werden Meßmethoden zur hochauflösenden zerstörungsfreien Messung von Leitfähigkeit und Dichte von Eiskernen beschrieben. Das bearbeitete Eiskernmaterial stammt von der vom Alfred-Wegener-Institut in den Sommern 1993 bis 1995 durchgeführten Nordgrönlandtraverse aus einem Gebiet zwischen 73.9° N bis 80.0° N und 36.5° W bis 49.2° W. Die Kerne wurden zwischen 100 m und 175 m abgeteuft. Die Feldarbeiten der Nordgrönlandtraverseund Ergebnisse der Standardinterpretation von Leitfähigkeits- und Dichtedatender bis September 1995 bearbeiteten Eiskerne werden kurz vorgestellt. Mittlere Akkumulationsraten über den Zeitraum der letzten 200 Jahre werden für alle zwölf Bohrpunkte abgeleitet.Zur Messung der Leitfähigkeit verfügbare Methoden werden vorgestellt. Ergebnisseeiner am Alfred-Wegener-Institut entwickelten Methode zur Messung derLeitfähigkeit von Eiskernen werden präsentiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Feldapparatur für das schon länger bekannte Verfahren des DielectricProfiling (DEP), eine Methode zur kapazitiven Messung dielektrischer Materialkonstanten von Eiskernen, am Alfred-Wegener-Institut gebaut. Die früher in der Literatur beschriebene Methode wurde in wesentlichen Punkten modifiziert, und die neu gebaute Apparatur erlaubt quantitative Messungen mit einigen Prozent Fehler. Die Potentialverteilung zwischen den Elektroden der DEP-Apparatur wirdausführlich theoretisch berechnet. Mit Hilfe der berechneten Potentialverteilungwerden die Messung störende Effekte quantitativ diskutiert. Eine auf 0.05 % genau theoretisch berechnete und 2 % genau experimentell bestimmte Leerkapazität der Apparatur wird angegeben. Ein Gamma-Densiometer zur hochaufgelösten zerstörungsfreien Messung der Dichte von Eiskernen mit Fehlern in der Größenordnung von 1 % wird ausführlich beschrieben.Der in die Ableitung der Dichte aus Intensitätsmessungen eingehendeMassenabsorptionskoeffizient wird aus der Theorie zur im Energiebereich derverwendeten 137Cs-Strahlung dominierenden Comptonwechselwirkung zwischen Gamma-Quanten und Eis berechnet. Ein Vergleich mit Literaturdaten verifiziert den bestimmten Wert auf besser als 0.1 % genau. Die Messung des Frequenzgangs eines Eiskerns mit der DEP-Apparatur, der mit Literaturdaten übereinstimmt, wird als Anwendung vorgestellt. Ein Vergleich der mit dem Gamma-Densiometer gemessenen Dichten mit aus der mit der neuen DEPApparatur gemessenen Dielektrizitätskonstanten nach dem Looyenga-Mischungsmodell berechneten Dichten zeigt absolute und strukturelle Übereinstimmung der Meßreihen. / Abstract: Polar ice-cores are an archive of the past climate and atmospheric condition. Past volcanic eruptions, for example, have left impurity layers with increased conductivity. These may be measured and correlated against known eruptions to date an ice core, and then combined with density measurements, to determine the past accumulation rate. This thesis presents methods for non-destructive, high-resolution conductivity- and density-measurements of ice-cores. Between 1993 and 1995, twelve 100-175 m long ice cores were obtained by theAlfred Wegener Institute in the North Greenland Traverse within 73.9° N to80.0° N and 36.5° W to 49.2° W. This thesis briefly summarizes the fieldwork as well as the usual measurements and interpretations of the ice cores' conductivity and density, as of September 1995. It also presents average accumulation rates for the last 200 years for all twelve drilling-sites.The thesis then turns to the principal products of the research: 1) high-resolution measurement of ice core electrical admittance, with only a few percent error, using a substantially improved, in-field dielectric profiling (DEP) unit developed at the Alfred Wegener Institute and 2) high-resolution, non-destructive measurement of ice core density, to better than 1 % accuracy, using agamma-densiometer. It derives from first principles, the potential-function for the area between the electrodes of the DEP-apparatus; from the function, it quantifies side effects and predicts an air capacity for the device with an 0.05 % error that is confirmed by experiment to within 2 %. The thesis calculates density from gamm-densiometer intensities. From theory, it calculatesthe mass absorption coefficient for the compton-interaction between photonsand ice. This is the dominant process over the energy range of the 137Cs-radiation source. Published values show the coefficient is within 0.1 % of the true value. The thesis applies the DEP-apparatus to measure the frequency response of an ice core and obtains results consistent with published values for pure ice. It also comparesgamma-densiometer densities with Looyenga mixing model densities calculated from the permitivities measured with DEP. The signals show structural and quantitative consistency.

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