High resolution hyperspectral, microphysical and mineralogical interdisciplinary approach for ice cores entrapped Light Absorbing Impurities and texture characterization

The interaction of ice-covered surfaces with the solar radiation affects the Earth energy budget. Light Absorbing Impurities (LAI) influence optical properties of these surfaces, making their characterization essential. Hyperspectral, microphysical, and mineralogical analyses represent key tools for advancing cryosphere research. In this study, hyperspectral measurements have been conducted on the ADA270 ice core (4 - 87 m depth), and reflectance (REF) data in the range 380-1000 nm have been obtained. These allowed obtaining three different descriptors: Albedo, Snow Darkening Index (SDI) and Impurity Index (II). Their variability can be associated to distinct internal characteristics: melting/refreezing layers(high albedo), bubble-rich zones (medium to high albedo), moderate LAI concentrations (medium to high SDI), and elevated LAI concentrations (high SDI). For discrete ice samples associated to features, microphysical measurements of particle grain size and concentration have been performed by Coulter Counting. The mineralogy of LAI has been obtained through X-Ray Diffractometry (XRD) on a set of high SDI layers. To estimate the impact of each mineral on REF data, single-grain Hyperspectral Imaging Microscope Spectrometer (HIMS) analyses on standard minerals and real samples have been performed. A Raman spectrometer has been used to precisely identify the nature of the analysed grains. In the end, the impact of ice core texture on the hyperspectral signal was assessed. Microphysical results show that melting/refreezing layers display dust concentration of a few hundreds of ppb, while bubble-rich layers generally reach higher values, in the order of a few ppm. Medium/high SDI layers and high SDI layers typically show concentrations in the order of a few ppm and a few dozen ppm. Between about 63.34 m and 65.34 m depth, the highest impurity concentration was found. Preliminary dating of the ice core indicates that this layer corresponds to the World War I period, when the glacier was the site of intense military operations. Coupling HIMS REF curves and XRD minerals relative abundances, it has been possible to create mixtures simulating the hyperspectral behaviour of real LAI samples from the core. This highly-effective method demonstrates strong performance, including the identification of dark organic material. Ice-core texture has been investigated through an Automatic Ice Texture Analyser (AITA), and results showed that ice crystal orientation seems to be affected by depth and ice density. The presence of LAI strongly affects the crystals area, forcing crystals toward small dimensions. This interdisciplinary approach has provided a comprehensive ice core characterization. Future work will complete analysis of the entire core and extend this approach to polar samples. The versatility of the method potentially allows its adaptation to firn, sediment cores, and snow samples.

L'interazione delle superfici ghiacciate con la radiazione solare influisce sul bilancio energetico della Terra. Le Light Absorbing Impurities (LAI) influenzano le proprietà ottiche di queste superfici, rendendo essenziale la loro caratterizzazione. Le analisi iperspettrali, microfisiche e mineralogiche rappresentano strumenti chiave per far progredire la ricerca sulla criosfera. In questo studio, sono state condotte misure iperspettrali sulla carota di ghiaccio ADA270 (4 - 87 m di profondità), ottenendo dati di riflettanza (REF) nell'intervallo 380-1000 nm. Questi hanno permesso di estrarre tre diversi descrittori: Albedo, Snow Darkening Index (SDI) e Impurity Index (II). La loro variabilità è associata a caratteristiche interne del ghiaccio distinte: strati di fusione/rigelo (alta albedo), regioni ricche di bolle d’aria (albedo medio-alta), concentrazioni moderate di LAI (SDI medio-alto) e concentrazioni elevate di LAI (SDI alto). Per campioni di ghiaccio discreti associati alle caratteristiche sopra elencate, le misurazioni microfisiche della granulometria e della concentrazione delle particelle sono state eseguite mediante Coulter Counting. La mineralogia della LAI è stata ottenuta mediante diffrattometria a raggi X (XRD) su un insieme di strati recanti un segnale di alto SDI. Per stimare l'impatto di ciascun minerale sui dati REF, sono state eseguite analisi HIMS (Hyperspectral Imaging Microscope Spectrometer) su singoli granuli di minerali standard e campioni reali. Uno spettrometro Raman è stato utilizzato per identificare con precisione la natura dei minerali analizzati. In conclusione, è stato valutato l'impatto delle proprietà dei cristalli della carota di ghiaccio sul segnale iperspettrale. I risultati microfisici mostrano che gli strati di fusione/rigelo, evidenziano una concentrazione di polvere di poche centinaia di ppb, mentre gli strati ricchi di bolle raggiungono generalmente valori più elevati, nell'ordine di pochi ppm. Gli strati ad SDI medio/alto e gli strati con SDI elevato mostrano concentrazioni nell'ordine di qualche ppm e poche decine di ppm. Tra circa 63.34 m e 65.34 m di profondità, è stata riscontrata la più alta concentrazione di impurità. La datazione preliminare della carota di ghiaccio indica che questo strato corrisponde al periodo della prima Guerra Mondiale, quando il ghiacciaio fu sede di intense operazioni militari. Accoppiando le curve REF di HIMS e le abbondanze relative dei minerali da XRD, è stato possibile creare miscele che simulano il comportamento iperspettrale di campioni di LAI reali provenienti dalla carota. Questo metodo altamente efficace dimostra ottime prestazioni, compresa l'identificazione di materiale organico. La struttura interna delle carote di ghiaccio è stata studiata attraverso un Automatic Ice Texture Analyser (AITA) e i risultati hanno mostrato che l'orientamento dei cristalli di ghiaccio sembra essere influenzato dalla profondità e dalla densità. La presenza di LAI influenza fortemente l'area dei cristalli, costringendo gli stessi a mantenere dimensioni ridotte. Questo approccio interdisciplinare ha fornito una caratterizzazione completa della carota di ghiaccio. Il lavoro futuro completerà l'analisi dell'intera carota ed estenderà questo approccio ai campioni polari. La versatilità del metodo ne consente potenzialmente l'adattamento a firn, carote di sedimenti e campioni di neve.