Replikamethode zur dreidimensionalen Darstellung von Schnee mit Röntgen-Mikrotomographie

Die Visualisierung und Quantifizierung von Schnee-Strukturen auf einer Grössenskala von wenigen Millimetern ist wichtig, um die mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Eigenschaften von Schnee zu verstehen. Oft müssen Schneeproben von weit entfernten Orten ins Labor transportiert werden, oder sie müssen vor der Strukturmessung gelagert werden. Um während dieser Zeit Strukturveränderungen durch die Schneemetamorphose zu verhindern, wird der Porenraum mit Diethyl-phthalat (DEP) gefüllt, einer Flüssigkeit die sich anschliessend verfestigt. Anschnitte und vor allem dreidimensionale (3D) Rekonstruktionen von vergossenen Schneestrukturen sind schwierig herzustellen und die automatische Verarbeitung der erhaltenen Bilder ist oft kaum möglich, so dass die Auswertung von Hand erfolgen muss. 

Wir haben eine neue Methode entwickelt, um die 3D-Struktur von vergossenen Schneeproben zu messen. Schneeproben, welche mit DEP vergossen und anschliessend gefroren wurden, werden zu Proben von einigen Zenitmeter Durchmesser und bis zu 10 cm Höhe geschnitten. Das Eis in diesen Proben wird anschliessend in einem Hoch-Vakuum sublimiert und die zurückbleibende Negativ-Struktur (Replika) wird im Röntgen-Mikrotomographen (micro-CT) abgebildet. Die Genauigkeit der Methode wurde mittels Vergleichsmessungen nachgewiesen. Dazu wurden micro-CT Messungen der ursprünglichen Schneestruktur mit solchen der Replika verglichen.

Die neue Methode ermöglicht einen einfachen Proben-Transport, benötigt wenig manuelle Bearbeitung, hat eine hohe räumliche Auflösung von bis zu 10 Mikrometern und ist umweltfreundlich.

Fig. 1. Der Vergleich zwischen der ursprünglichen Schneestruktur (1. Spalte) und der Replika (2. Spalte) zeigt, dass die Replika das Negativ der ursprünglichen Struktur ist. Durch digitale Invertierung des Negativs erhält man ein Bild, das demjenigen des ursprünglichen Schnees entspricht (3. Spalte). Die kleinen Differenzen (rot=positiv, blau=negativ) zwischen den Bildern sind auf geringe Ungenauigkeiten bei der Positionierung im micro-CT zurück zu führen (4. Spalte).

Fig. 2. Verfolgt man die Entwicklung eines Querschnitts während der Lagerung im Vakuum, zeigt sich, wie die Sublimationsfront zum Zentrum der Probe fortschreitet (Länge des Massstabs: 5 mm).

Download:

CastingSnowPhthalate.pdf (nur auf englisch)

Poster_Replica.pdf (nur auf englisch)