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Radiation Transmittance through lake ice in the 400–700 nm Range*

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

S. J. Bolsenga*
Affiliation:
Great Lakes Environmental Research Laboratory, National Oceanic and Atmospheric Administration, 2300 Washtenaw Avenue, Ann Arbor, Michigan 48104, U.S.A.
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Abstract

Significant new information on radiation transmittance through ice in the photosynthetically active range (400–700 nm) has been collected at an inland lake near Ann Arbor, Michigan, U.S.A., and at one site on the Great Lakes (lat. 46° 46´ N., long. 84° 57´ W.). Radiation transmittance through clear, refrozen slush, and brash ice varied according to snow cover, ice type, atmospheric conditions, and solar altitude.

Snow cover caused the greatest diminution of radiation. During periods of snow melt, radiation transmittance through snow-covered ice surfaces increased slightly. Moderate diurnal variations of radiation transmittance (about 5%) are attributed to solar altitude changes and associated changes in the direct- diffuse balance of solar radiation combined with the type of ice surface studied. Variations in radiation transmittance of nearly 20% over short periods of time are attributed to abrupt changes from a clear to a cloudy atmosphere.

A two-layer reflectance–transmittance model illustrates the interaction of layers in an ice cover such as snow or frost overlying clear ice. Upper layers of high reflectance have considerable control on the overall transmittance and reflectance of an ice cover.

Résumé

Résumé

On a recueilli des informations nouvelles significatives sur la transmittivité des radiations à travers la glace dans la gamme d’activité photosynthétique (400–700 nm) au cours d’essais sur un lac intérieur près d’Ann Arbor dans le Michigan, U.S.A. et en un point des Grands Lacs (46° 46´ N., 84° 57´ W.). La transmittivité des radiations à travers une pellicule claire de glace en formation et à travers un amas de glaçons flottants était variable selon le convert de neige, le type de glace, les conditions atmosphériques et l’altitude du soleil.

C’est le couvert de neige qui entraîne la plus forte diminution de radiation. Pendant les périodes de fusion, la transmittivité aux radiations des glaces enneigées remonte faiblement. Des variations journalières faibles de la transmittivité (environ 5%) sont attribuées aux changements de la hauteur du soleil et aux changements qui leur sont associés dans le bilan des radiations solaires directes et diffuses du rayonnement solaire ainsi qu’au type de surface de glace étudiée. Des variations dans la transmittivité de près de 20% en de courtes périodes de temps sont attribuées à des brusques changements météorologiques du temps clair aux nuages.

Un modèle à deux niveaux de réflectivité–transmittivité illustre l’interaction entre les couches d’une couverture de glace telle que de la neige ou du givre surmontant une glace claire. Les couches supérieures de haute réflectivité exercent une action considérable sur la transmittivité totale et sur la réflectivité d’une couverture de glace.

Résumé

Résumé

Wesentlich neue Informationcn über die Strahlungsdurchlässigkeit von Eis im photosynthetisch aktiven Bereich (400–700 nm) wurden an einem Inland-See bei Ann Arbor, Michigan, U.S.A. und an einer Stelle an den Grossen Seen (46° 46´ N., 84° 57´ W.) gewonnen. Die Strahlungsdurchlässigkeit durch klaren wiedergefrorenen Matsch und durch Trümmereis schwankte je nach Schneedecke, Eistyp, atmosphärischen Bedingungen und Sonnenhöhe.

Die Schneedecke verursachte die grösste Abnahme der Strahlung. Während der Schneeschmelze nahm die Strahlungsdurchlässigkeit schneebedeckter Eisflächen allmählich zu. Mässige tägliche Schwankungen der Strahlungsdurchlässigkeit (etwa 5%) sind dem Wechsel der Sonnenhöhe und den damit verbundenen Schwankungen im Verhältnis zwischen der direkten und der diffusen Sonnenstrahlung zuzuordnen, wobei auch der Typ der untersuchten Eisfläche eine Rolle spielt. Schwankungen von fast 20% in der Strahlungsdurchlässigkeit über kurze Zeitspannen lassen sich dem plötzlichen Wechsel zwischen klarem und bewölktem Himmel zuschreiben.

Ein Zweischichten-Modell für Reflexion und Durchlässigkeit erklärt die Wechselwirkung zwischen den Schichten einer Eisdecke, wie z.B. bei Schnee oder Reif über klarem Eis. Obere Schichten von hoher Reflexion haben beträchtlichen Einfluss auf die Gesamtreflexion und -durchlässigkeit einer Eisdecke.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1981
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Fig. 1.Design details of the support arm for the underwater sensor.

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Fig. 2.Increase in radiation transmittance due to snowmelt as indicated by the rise in transmittance ratio T with true solar time TST (22 February 1977).

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Fig. 3.Ratio of below- to above-ice radiation T as a function of true solar time TST during a period of melting snow (7 March 1977).

Figure 3

Fig. 4.Radiation transmittance T as a function of true solar time TST during ice decay (8 March 1977).

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Fig. 5.Radiation transmittance T as a function of true solar time TST during ice decay (9 March 1977).

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Fig. 6.Transmittance T versus true solar time TST showing differences in T due to cloud-cover variability (18 January 1977)