Computertomografie von Schnee und Eis
Johannes Freitag
Alfred-Wegener-Ins>tut Helmholtz-Zentrum für
Polar- und Meeresforschung
Mo#va#on
Polares Eis als Klimaarchiv
Monitoring der Eisschilde (Eisvolumen)
Grönland Antark>s 0-100m
Schnee & Firnschicht
„klimasensi>ve Haut“
Lei+ragen für die CT-Anwendung
• Wie lässt sich die Transforma#on von Schnee zu Eis
beschreiben?
Metamorphose und isothermale
Drucksinterung, Verdichtung
• Wie funk>oniert der Lu>einschluss?
Porenstrukturanalyse,
Perkola9on, Diffusion
Gliederung
1. Methode (Probennahme & CT) 2. Drei Anwendungsbeispiele für CT
! Verdichtung von Schnee zu Eis
! Schneemetamorphose und Signalbildung
! Lu_einschluss
3. Ausblick, aktuelle Fragen
Probennahme im Feld
2001: Erstes CT im Kaltlabor (-15°C)
2006: Erstes CT im Feld (Kohnen sta#on, Antarc#ca, -44°C)
X-ray source Detector
2010: Erstes Kern-CT für Eisanwendungen
Fraunhofer EZRT
Ice core
100 cm
X-ray source Detector
100 cm
CT-Komponenten
AWI- ICE-CT (2010) SKYscan CT (2001)
X-ray source 40-225 kV 40 kV
Detector 8000 x 4000 pix 736 x 512 pix
Min. resolu>on 2 µm 40 µm
Max. sample size
diameter 10 cm (13µm) 2-3 cm
Max. sample size
height 100 cm 2-3 cm
CT - Spezifika#onen
Representa>ve volumes
Verdichtung von Schnee zu Eis
1. Anwendungsbeispiel
Ice core
X-ray source Detector
AWI-ICE CT – Messvorschri> zur Dichtebes#mmung (2D)
• Dichtebes>mmung aus Grauwertbild mit Hilfe von Kalibrierkurve
• Kon>nuierliche Bildaufnahme während synchroner
Aufwärtsbewegung von Röntgenquelle und Detektor bei ruhender Probe
• Gesamtbild des Eiskerns besteht aus den Zentralstrahllinien von ca.
2000 Einzelbildern pro Meter
Beispiel:
Ostgrönland RECAP P4 Tiefen- Intervall:
1-2m
gefrorenes
Schmelz-
wasser
Firnkern B29, Grönland
Dichte- Varia>onen (StD run1m)
Fi rn -E is -Ü be rg an g
Dichteprofile von Schnee und Firnsäule
Schneeschacht RECAP P4,
Shallow firn
Deep firn
Annual accumula>on
Annual accumula>on
Synchronisa#on zwischen Dichte und [Ca++] mit der Tiefe
Schneemetamorphose und Signalbildung
2. Anwendungsbeispiel
• Helixmethode: Kon>nuierliches, synchrones ver>kales Verfahren von Röntgenquelle und Detektor bei gleichzei>ger Rota>on der Probe (Ver>kales Verfahren um
Strahlkegelhöhe nach 180° Drehung), ca. 3000 Projek>onen pro Umdrehung
Ice core
X-ray source Detector
AWI-ICE CT – Messvorschri> zur 3D-Volumenrekonstruk#on
10cm, Horizontalschnip
Bildverarbeitung von Volumendaten
Segmen#erung Eis/Lu>
2-level Otsu-threshold: globaler 2-Level Schwellwert (Otsu) für „sichere“ Grauwerte(GW), GW<GWEis; GW>GWLu_
Region-based segmenta>on: lokale Bewertung für kri>sches Grauwer>ntervall GWEis<GW<GWLu_
Bes#mmung Struktureigenscha>en (MAVI, TOOLIP; Fraunhofer ITWM) Porosität (Dichte),
Interzeptlängen,
Spezifische Oberfläche, Eulerzahl,
Objekt-labeling (Cluster), Strukturmodellindex,
Anisotropie:= (Interzeptlänge x + Interzeptlänge y)/Interzeptlänge Z
Herausforderung: Erstellung von Profilen von Struktureigenscha_en
für große Datenvolumina (Tbyte, 25GByte-Pakete)
14cm
Zusammenhang zwischen Struktur- und Signalbildung
Lu_einschluss im Eis
3. Anwendungsbeispiel
Model for sintered firn: network of tetrakaidecahedrons on a BCC-layce
Gradueller Lu>einschluss: ein Perkola#onsproblem
Model for sintered firn:
Network of
Tetrakaidecahedrons on a BCC-Layce
Air filled pore chanels
Occupa>on
probability Porosity
n=0.21
n=0.11
n=0.07
n<0.07 n
crit= 0.104
Open Pores Closed pores
Geschlossene Porosität: Modell versus Daten
B =2 L =3 H =0
B p =6
33 . 6 2
) 3 3
2 2
2 2
( + + + + + = Z =
Z=3 Z=3
Z=2
Z=2 Z=2 Z=2
Euler number E:=B-L+H
Coordina>on number
33 . 6 2
)) 1 ( 6 (
2 − − =
Z =
p p
B
E Z 2 ( B − )
=
B : Isolated objects
L : Loops
H : Holes
B p : Poten>al objects (1)
(2)
1 3
2 − = −
=
−
= B L E
(1)
(1,2)
Konnek#vität des Lu>porenraumes im Firn
E=0 Z=2
(2)
E~B (~ bubble density)
E~L (~ Loops)
Konnek#vität des Lu>porenraumes im Firn
max
max
( 0 )) (
2
B
E
Z B −
=
3D-image processing
Erosion of pore space
p p
B
E Z 2 ( B − )
=
Konnek#vität des Lu>porenraumes im Firn
Z(n)
linear rela>onship
Layce at the threshold from permeability to impermeability (percola>on threshold p
crit~0.4) Fully occupied layce (p=1):
Z=4
Z≈1.6
Universelle kri>sche Porosität für polaren Firn
Konnek#vität des Lu>porenraumes im Firn
• Bildverarbeitung von großen Datenmengen
• Prozessangepasste Beschreibung der Anisotropie (Diffusion?
Permeabilität? Struktur?)
• Blasenverteilungen – Rückschlüsse auf Paläobedingungen während Schneemetamorphose und Firnverdichtung
• Erklärungsversuche von Lu_inhalt und Gasfrak>onierungen
Referenzen:
EPICA, community members, Fischer, H., Freitag, J., Frenzel, A., Fritzsche, D., Fundel, F., Gersonde, R., Hamann, I., Huybrechts, P., Kipfstuhl, S., Lambrecht, A., Meyer, H., Miller, H., Oerter, H., Ruth, U., Rybak, O., Schmip, J., Valero-Delgado, F., Wegner, A., Wilhelms, F.(2006).
One-to-one coupling of glacial climate variability in Greenland and Antarc>ca, Nature, 444, 195-198., doi:10.1038/nature05301.
Hörhold, M. , Kipfstuhl, S. , Wilhelms, F. , Freitag, J. and Frenzel, A. (2011): The densifica>on of layered polar firn , J. Geophys. Res., VOL. 116, doi:
10.1029/2009JF001630
Freitag, J. , Kipfstuhl, S. and Laepple, T. (2013): Core‑scale radioscopic imaging: a new method reveals density‑calcium link in Antarc>c firn , J. Glaciol., 59 (218), pp. 1009‑1014 . doi: 10.3189/2013JoG13J028
Freitag, J. , Kipfstuhl, S. , Laepple, T. and Wilhelms, F. (2013): Impurity‑controlled densifica>on: a new model for stra>fied polar firn , J. Glaciol., 59 (218), pp.
1163‑1169 . doi: 10.3189/2013JoG13J042