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Differential Sea-Ice Drift. II. Comparison of Mesoscale Strain Measurements to Linear Drift Theory Predictions

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

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Abstract

A comparison of mesoscale strain measurements with the atmospheric pressure field and the wind velocity field indicate that the ice divergence rate and vorticity follow the local pressure and wind divergence with significant correlation. For low atmospheric pressures and converging winds the divergence rate was found to be negative with the vorticity being counter-clockwise. The inverse behavior was observed for high pressures and diverging winds. This behavior was shown to agree with predictions based upon the infinite boundary solution of a linearized drift theory in the absence of gradient current effects and using the constitutive law proposed by Glen (1970) for pack ice. The best least-squares values of the constitutive law parameters η and ζ were found to be ≈ 1012 kg/s. Using typical divergence rates these values yield compressive stresses of the magnitude of 105 N/m which are similar to values suggested by the Parmerter and Coon (1972) ridge model. In general, the infinite boundary solution of the linear drift equation indicates that in a low-pressure region that is reasonably localized in space, the ice would be expected to converge for high compactness (winter) and diverge for low compactness (summer).

Calculations were also carried out using a more general linear visco-elastic constitutive law that includes memory effects and which includes a generalized Hooke’s law as well as the Glen law as special cases. A best fit of this more general calculation with strain measurements indicates overall a better agreement with viscous behavior than with elastic behavior, with the frequency behavior of the estimated “viscosities” similar to the Glen law behavior at temporal frequencies less than ≈ 0.01 h−1.

Une comparaison des mesures de déformation d’échelle moyenne avec le champ de la pression atmosphérique et le champ de vitesse du vent montre que le taux de mouvement et la vorticité de la glace suivent la pression locale et la divergence du vent avec une correlation significative. Pour des pressions atmosphériques faibles et des vents convergents, le taux de divergence a été trouvé négatif et la vorticité dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Le comportement inverse a été observé pour de hautes pressions et des vents divergents. Ce comportement est conforme aux prévisions basées sur la solution aux limites infinies de la théorie de l’entraînement linéarisé en l’absence des effets des gradients de courant et en utilisant la loi constitutive proposée par Glen (1970) pour la banquise. La meilleure valeur, par les moindres carrés, pour les paramètres η et ζ de la loi constitutive a été trouvée être d’environ 1012 kg/s. En utilisant les taux de divergence classiques, ces valeurs donnent des efforts de compression d’un ordre de grandeur de 105 N/m qui sont analogues aux valeurs suggérées par le modèle de ride de Parmerter et Coon (1972). En général, la solution aux limites infinies de l’équation de l’entraînement linéaire montre que, dans une région à basse pression raisonnablement localisée dans l’espace, on peut s’attendre à ce que la glace converge pour les hautes compacités (hiver) et diverge pour les basses compacités (été).

On a également effectué des calculs en utilisant une loi constitutive viseo-élastique linéaire plus générale qui admet des effets mémoires et qui inclue une loi de Hooke généralisée aussi bien que la loi de Glen comme cas particulier. Un meilleur ajustement de ces calculs plus généraux avec les déformations mesurées indique surtout que le comportement visqueux coïncide mieux que le comportement élastique avec le comportement des “viscosités” estimées en fonction de la fréquence. Ce phénomène est semblable à celui qui serait conforme à la loi de Glen pour des fréquences dans le temps inférieures à environ 0,01 h−1.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Aus dem Vergleich von Spannungsmessungen mittleren Massstabes mit den Feldern des Luftdruckes und der Windgeschwindigkeit ergibt sich, dass die Geschwindigkeil der Eisdivergenz und die Wirbelbildung der lokalen Druck- und Winddivergenz mit signifikanter Korrelation folgen. Für niedrigen Luftdruck und konvergierenden Wind erwies sich die Divergenzgeschwindigkeit als negativ mil Wirbelbildung im Gegenuhrzeigersinn. Umgekehrtes Verhalten stellt sich bei hohem Luftdruck und divergierenden Winden ein. Dies stimmt mit Voraussagen aus einer linearisierten Drift-Theorie überein, die Effekte aus Gradientenströmen nicht berücksichtigt und das Grundgesetz benutzt, das Glen (1970) für Packeis vorgeschlagen hat. Die besten, ausgeglichenen Werte für die Parameter η und ζ des Grundgesetzes haben die Grössenordnung 1012 kg/s. Mit typischen Divergenzgeschwindigkeiten liefern diese Werte Druckspannungen der Grössenordnung 105 N/m, die ähnlich den Werten des Rücken-Modells von Parmerter und Coon (1972) sind. Ganz allgemein lässt die Lösung der linearen Drift-Gleichung in einem Gebiet mit niederem Luftdruck erwarten, dass das Eis bei hoher Kompaktheit (im Winter) konvergiert und bei niedriger Kompaktheit (im Sommer) divergiert.

Weitere Berechnungen stützten sich auf ein allgemeineres lineares viscoelastische Grundgesetz, das Gedächtnis-Effekte berücksichtigt und ein verallgemeinertes Hooke’sches Gesetz ebenso wie das Glen’sche Gesetz als Sonderfälle enthält. Bringt man diese allgemetneren Berechnungen in beste Übereinstimmung mit Spannungsmessungen, so erscheint durchwegs viskoses Verhalten wahrscheinlicher als elastisches; dabei liegt das Frequenz-Verhalten der geschäten “Viskositäten” nahe bei den aus dem Glen’schen Gesetz zu erwartenden Werten mit zeitlichen Frequenzen von weniger als ungefähr 0,01 h−1.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1974
Figure 0

Fig. 1.Wave-number space response functions for the divergence rate and vorticity of the ice pack for different values of η and ζ. The response functions operate on the atmospheric pressure field.

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Fig. 2.Comparison of experimental time series calculated from AIDJEX 1972 data. All curves were smoothed with a low pass filter having a transition band from o to 3/80 cycles per hour.

Figure 2

Table I.Table I. Correlation Coefficient Matrix Between Time Series.

Figure 3

Fig. 3.Spectra of atmospheric pressure and mesoscale ice divergence rate at the main AIDJEX 1972 camp.

Figure 4

Table II.Estimates of η and ζ.

Figure 5

Fig. 4.Coherency spectra and phase between (a)vorticity and atmospheric pressure and (b)divergence rate and atmospheric pressure. The(95% confidence limits for the phase angles vary from ± 20° to ± 25°.

Figure 6

Fig. 5.Frequency dependence of the generalized bulk and shear viscosity amplitudes. The amplitudes were obtained using the estimated response function of Δ and ω upon P.