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The Effect of Absorbed Solar Radiation on the Thermal Diffusion in Antarctic Fresh-Water Ice and Sea Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

G. Weller*
Affiliation:
Meteorology Department, University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Ice temperatures were measured on the ice plateau at Mawson, Antarctica, for one year down to depths of 11 m. and through a floating sea-ice cover for six months. The plateau data were examined by harmonic analysis and the thermal diffusivity of the ice was obtained from the classical model of heat diffusion. An improved model of heat diffusion proposed by Lettau (1954) was also used to derive the diffusivity. The results show that absorbed radiation affects the computed diffusivity values down to 6–8 in. depth and a model is put forward to explain these apparent changes with depth. Data on the extinction of radiation in the ice have been published elsewhere (Weller and Schwerdtfeger, in press). The diffusivity of the ice is determined for periods with no radiation in winter and the value of 0.011 cm2. sec−1 agrees well with values at 8 m. depth where the effect of radiation becomes negligible.

Heat-flux plates embedded in the ice were used to determine the diffusivity independently and also to give numerical values of the heat flux at any moment. The geometry and characteristics of these flux plates are discussed elsewhere (Schwerdtfeger and Weller, 1967). They are also used to derive the diffusivity of sea ice and enable a detailed analysis of the diurnal heat flux in such complex substances as sea ice to be made.

Les températures de la glace ont été mesurées sur le plateau de glace à la Station Mawson, Antarctique, pendant une année jusqu’à une profondeur de 11 m et à travers une couverture de glace de mer flottante pendant six mois. Les données obtenues sur le plateau ont été examinées par analyse harmonique et la diffusivité obtenue par le modèle classique de diffusion thermique. Un nouveau modèle de diffusion thermique proposé par Lettau (1954) a aussi été utilisé pour en déduire la diffusivité. Les résultats montrent que la radiation absorbée affecte la diffusivité jusqu’à une profondeur de 6 à 8 m. Il est proposé un modèle pour expliquer ces changements avec la profondeur. Les données sur l’extinction de la radiation dans la glace ont été publiées autre part (Weller et Schwerdtfeger, in press). La diffusivité de la glace a été déterminée dans les conditions de non radiation en hiver et la valeur de 0.011 cm2 s−1 s’accorde bien avec les valeurs à 8 m de profondeur où l’effet de radiation devient négligeable.

Des plaques placées dans la glace pour la mesure du flux de chaleur ont aussi été utilisées pour en déduire indépendamment la diffusivité et aussi pour obtenir les valeurs du flux de chaleur à chaque moment. La géométrie et les caractéristiques de ces plaques ont été discutées autre part (Schwerdtfeger et Weller, 1967). Elles ont aussi été utilisées pour obtenir la diffusivité de la glace de mer et elles ont permis une analyse détaillée du flux de chaleur diurne.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Eistemperaturen wurden ein Jahr lang auf dem Eisplateau bei Mawson, Antarktika, bis zu einer Tiefe von 11 m und über 6 Monate durch eine schwimmende Meereisdecke gemessen. Die Plateauwerte wurden harmonisch analysiert; ihre Durchlässigkeit wurde nach dem klassischen Modell der Wärmediffusion bestimmt. Daneben wurde ein verbessertes Modell der Wärmediffusion nach Lettau (1954) zur Ableitung der Durchlässigkeit benutzt. Die Ergebnisse zeigten, dass absorbierte Strahlung die Durchlässigkeitswerte bis zu 6–8 m Tiefe beeinflusst. Zur Erklärung dieser Tiefenabhängigkeit wird ein Modell entwickelt. Beobachtungen zur Strahlungsextinktion in Eis wurden anderwärts veröffentlicht (Weller und Schwerdtfeger, in press). Die Durchlässigkeit des Eises wurde für strahlungslose Verhältnisse im Winter bestimmt und der Wert von 0,011 cm2 s−1 stimmt gut mit Werten in 8 m Tiefe überein, wo der Strahlungseinfluss vernachlässigbar wird.

Ins Eis eingelassene Wärmeleitplatten wurden zur unabhängigen Bestimmung der Durchlässigkeit und zur Ermittlung von Zahlenwerten des Wärmeflusses in jedem Zeitpunkt benutzt. Die Gestalt und die Kennwerte dieser Wärmeleitplatten wurden anderwärts erläutert (Schwerdtfeger und Weller, 1967). Sie wurden auch zur Bestimmung der Durchlässigkeit von Meereis herangezogen und ermöglichten eine Analyse des täglichen Wärmeflusses in so komplexen Substanzen wie Merreis.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1967
Figure 0

Fig. 1.Daily midnight ice temperatures in the plateau ice at Mawson at depths of 1, 2, 4, and 8 m.

Figure 1

Fig. 2.Half-monthly running means of daily midnight ice temperatures at Mawson at various depths

Figure 2

Fig. 3.Temperature isopleths at Mawson. Temperatures are marked in °C.

Figure 3

Fig. 4.Temperature profiles in the plateau ice at Mawson at monthly intervals

Figure 4

Table IFourier Coefficients for the Annual Ice Temperature Wave at Mawson

Figure 5

Fig. 5.Coefficients of the first harmonic in the Fourier analysis of temperatures and heat flux at Mawson

Figure 6

Table IIFourier Coefficients and Diffusivity from the First Harmonic of Ice Temperatures

Figure 7

Table IIIThermal Diffusivity of Plateau Ice

Figure 8

Fig. 6.Heat-flux distortion around a flux plate embedded in ice. The numbers in brackets indicate the number of observations in the plotted group mean

Figure 9

Table IVConversion Table to Obtain Ice Heat Fluxes

Figure 10

Fig. 7.Heat fluxes at Mawson at 1, 2 and 4 m. depth

Figure 11

Fig. 8.Monthly means of surface temperature T and surface heat flux B at Mawson

Figure 12

Fig. 9.Waves of heat flux B and temperature T at a depth of 1 m. A selected example

Figure 13

Table VMean Daily Ice Surface Heat Flux (cal. cm.−2 day−1)

Figure 14

Table VISummary of Plateau Ice Diffusivity Determinations

Figure 15

Fig. 10.Half-monthly means of daily midnight sea-ice temperatures at Mawson at various depths marked in cm.

Figure 16

Fig. 11.Temperature profiles in the sea ice at Mawson at half-monthly intervals. Plotted values are means of daily midnight values for the half month

Figure 17

Fig. 12.Heat flux at 30 cm. depth in sea ice and ice growth rate at the ice-water interface. Arrows indicate corresponding peaks

Figure 18

Fig. 13.Diurnal variation of the heat flux at 30 cm. depth in sea ice

Figure 19

Fig. 14.Heat flux and temperature at 30 cm. depth in sea ice; monthly means for October. The dashed lines are curves derived by a trial-and-error method

Figure 20

Fig. 15.Trial-and-error determination of the effect of radiation on the diurna temperature curve 30 cm. depth

Figure 21

Fig. 16.Trial-and-error determination of the effect of radiation on the diurnal heat-flux curve ai 30 cm. depth

Figure 22

Fig. 17.Radiation-corrected curves of diurnal temperature and heat flux at 30 cm. depth in sea ice at Mawson in October 1965

Figure 23

Fig. 18.Amplitude and phase changes of a 50-day period warm wave travelling through the sea ice at Mawson; depths are indicated in cm.

Figure 24

Table VIIVariation of Properties of Sea Ice with Depth

Figure 25

Table VIIIAmplitude of Temperature Wave in Sea Ice

Figure 26

Fig. 19.Amplitude decrease of a, 50-day period wave in sea ice at Mawson (dashed line) compared with theoretical solutions for a slab with fixed bottom temperature and a harmonic wave at the surface for various values of the diffusivity K and the corresponding parameter hl

Figure 27

Table IXDiffusivity of Sea Ice Deduced From Temperature Wave

Figure 28

Fig. 20.Diffusivity of sea ice at Mawson determined from the amplitude reduction of a temperature wave and from theoretical considerations