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Contribution to the Movement and the form of Ice Sheets in the Arctic and Antarctic

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

R. Haefeli*
Affiliation:
Gletscherkommission der S.N.G., Zürich
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Abstract

Starting from Glen’s flow law for ice and from a series of assumptions based in part on observations in Greenland and in the Jungfraujoch, the velocity distribution (horizontal velocity component) and surface configuration is derived for a strip-shaped ice sheet in a stationary state. For the choice n = 3 − 4 of the exponent in the power-law flow relation, there is extensive agreement between the theoretically calculated surface profile and the east-west profile measured through “Station Centrale” by Expéditions Polaires Françaises. The corresponding theoretical solution for a circular ice sheet is also given. As a first application of this theory, an attempt is made to calculate the average rate of accumulation in Antarctica from its surface profile (assumed circular in plan) and from the flow-law parameters derived from the Greenland Ice Sheet. It is also shown that a change in accumulation has only a small influence on the total ice thickness of an ice sheet. A method of calculating approximately the age of ice in an ice sheet, based on the foregoing theory, is illustrated by applying it to the Greenland Ice Sheet. After comparing the present theory with that of Nye, a general expression for the surface profile of an ice sheet with constant accumulation is set up and discussed by means of comparison with two profiles through Antarctica.

Résumé

Résumé

Partant de la loi de Glen sur l’écoulement de la glace et se basant sur une série de considérations tirées en partie d’observations faites au Jungfraujoch et au Groenland, l’auteur formule tout d’abord les conditions de mouvement (composantes horizontales des vitesses) et la forme d’une calotte de glace laminaire en état d’écoulement stationnaire. Pour n = 4, le profil Ouest-Est de l’Indlandsis du Groenland passant par la “Station Centrale”, tel qu’il a été levé par les Expéditions Polaires Françaises, et le profil calculé par l’auteur offrent une très large coincidence. Une solution similaire est également proposée pour les calottes de glace de forme circulaire.

La théorie de l’auteur trouve une application en essayant de déterminer de l’accumulation moyenne sur l’Antarctique. Il y parvient en considérant, d’une part la forme circulaire et celle de la surface, d’autre part en utilisant les valeurs des paramètres n et k déterminées pour l’Indlandsis groenlandais. Il en ressort en outre, qu’une variation dans l’accumulation n’a qu’une très faible influence sur l’épaisseur des calottes glaciaires. A cela, l’auteur ajoute un essai de détermination de l’âge de la glace dont il développe le calcul d’un exemple choisi pour l’Indlandsis.

Après une comparaison avec la théorie de Nye, l’auteur établit enfin une loi générale donnant la forme des calottes de glace pour une accumulation constante et à titre d’application, il compare et discute deux profils transversaux de l’Antarctique.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Ausgehend vom Fliessgesetz des Eises nach Glen und basierend auf einer Reihe von Annahmen, die sich z.T. aus Beobachtungen auf Jungfraujoch und in Grönland ergaben, wird zunächst der Bewegungszustand (horizontale Geschwindigkeitskomponenten) und die Oberflächenform für den streifenförmigen Eisschild im stationären Zustand formuliert. Für n = 4 ergibt sich dabei eine weitgehende Übereinstimmung zwischen dem durch die fränzösische Grönlandexpedition aufgenommenen West-Ostprofil durch die “Station Centrale” und dem vom Verfasser berechneten Profil. Anschliessend wird Bine entsprechende Lösung für den kreisförmigen Eisschild gegeben. Als Anwendung dieser Theorie wird zunächst versucht, auf Grund der Oberflächenform der Antarktis und den am Grönländischen Inlandeis ermittelten Parameter n und k die mittlere Akkumulation des als kreisförmig angenommenen antarktischen Schildes zu berechnen. Ferner wird gezeigt, dass eine Änderung der Akkumulation die grösste Eismächtigkeit nur sehr wenig beeinflusst. Anschliessend wird versucht den Weg der Altersberechnung des Eises an einem Beispiel des Inlandeises aufzuzeigen. Abschliessend wird nach einem Vergleich mit der Theorie von Nye ein allgemeines Formgesetz für Eischilder bei Konstanter Akkumulation aufgestellt, dessen Ergebnisse mit 2 Querprofilen der Antarktis verglichen und diskutiert werden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1961
Figure 0

Fig. 1. Strip-shaped and circular ice sheets. (a) Strip-shaped ice sheet, (b) Circular ice sheet. a = accumulation per year

Figure 1

Fig. 2. Flow curve of polycrystalline ice. μ = “apparent viscosity”

Figure 2

Fig. 3. Vertical velocity profile (horizontal component)

Figure 3

Fig. 4. Cross-section through an ice sheet with streamlines (schematic). a = accumulation in m. of ice per year, c = half-width offern region with average accumulation a, f = half-width offern region, F = firn line, b = semi-major axis of ellipse 1, S = crevasse zone, 1 = firn surface, 2 = streamlines, 3 = velocity profile, 4 = ice temperature in the centre, 5 = isotherm, 6 = permafrost, 7 = pressure melting point

Figure 4

Fig. 5. Equilibrium state of strip-shaped we sheet (approximate solution). H = maximum thickness of ice = semi-minor axis, a = accumulation (in m. of we per year), b = semi-major axis of curve ACT, ρ = density of ice (917 kg./m.3), F = fire line

Figure 5

Fig. 6. East-west profile through the Greenland Ice Sheet, comparison of theoretical and measured profiles. 1 = firn surface for n = 1, 2 = firnsurfacefor n = 2, 3 = measured firn surface (E.P.F.), 4 = firn surface for n = 4, 5 = average horizontal velocity of a vertical profile, 6 = slope of firn surface in per cent (n = 4), 7 = shear stress on bedrock (kg./cm.2) for n = 4, 8 = velocity profile of a vertical section (horizontal component, m./yr., n = 4), 9 = distribution of shear stress in a vertical section (kg./cm.2, n = 4), 10 = constant accumulation (A−C) a = 0.5 m./yr., 11 = variation of accumulation after Diamond in m. of water per year, 12 = theoretical bed, 13 = bed as determined by seismic sounding (Holtzscherer, E. P. F.), 14 = bed as determined by gravity measurements (Holtzscherer, E. P. F.)

Figure 6

Table I. Subsidiary Values k1, μ1, μ2, N and b for various n

Figure 7

Table II. Calculated Values of tanα, τu, vxm AND v0 (n = 4)

Figure 8

Fig. 7. Mean velocity vx and total travel time T as a function of x (distance from centre A). 1 = for rectangular drainage area, 2 = for triangular drainage area, on east-west profile through the Greenland Ice Sheet

Figure 9

Fig. 8. Velocity profile through an ice sheet for various values of the power-law exponent n

Figure 10

Fig. 9. Surface profile of an ice sheet for various values of the power-law exponent n

Figure 11

Fig. 10. Profiles through the Antarctic Ice Sheet, comparison of theoretical and measured profiles

Figure 12

Fig. 11. “An ice cap as the throne of the Gods.” Shining (6,542 m.), Garwal, Himalaya. A graphic demonstration of the fact that, according to equation (16a), H/r gets larger when r gets smaller!

(Photograph by A. Roch, Schweiz, Stiftung für Alpine Forschung)