Hostname: page-component-7b7567c8c-2n9c9 Total loading time: 0 Render date: 2026-11-14T17:25:05.026Z Has data issue: false hasContentIssue false

The Use of a Rational Model in the Mathematical Analysis of a Polythermal Glacier

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

A.C. Fowler*
Affiliation:
School of Mathematics, 39 Trinity College, Dublin 2, Republic of Ireland
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

We here describe the process by which a complex model set of equations and boundary conditions may be rationally reduced to a simpler and more manageable set by the. processes of non-dimensionalization and asymptotic approximation. Such a reduced model (derived elsewhere) is then presented for an incompressible, two-dimensional ice flow. It consists of two coupled equations for the stream function and enthalpy variable, together with a complex set of boundary conditions.

The important dimensionless parameters which arise are given, and various limiting values of these are commented on. Nye’s (1960) equation for kinematic waves may be reproduced, and a non-linear analysis of this reveals that disturbances reach the glacier snout in finite time, and are uniformly bounded there: in the particular case considered here, one can also show that the temperature field is stable.

It is shown that the effect of introducing a (realistic) sliding law which is continuously dependent on the temperature has a major effect on the bedrock temperature profile.

Lastly we consider seasonal waves using a kinematic wave equation based on a plausible form of the sliding law when cavitation is present. The main observed features are qualitatively reproduced.

Résumé

Résumé

Nous décrivons ici les procédés par lesquels un modèle complexe basé sur des équations et des conditions aux limites peut être rationnellement réduit à un modèle plus simple et plus facile à traiter construit par l’introduction de variables adimensionnelles et par des approximations asymptotiques. Un tel modèle réduit (établi par ailleurs) est présenté ici pour représenter un écoulement de glace incompressible, bidimensionnel. Il consiste en deux équations associées pour la fonction de courant et la variation d’enthalpie, assorties d’un jeu complexe de conditions aux limites.

Les paramètres adimensionnels importants qui se dégagent sont donnés et on commente leurs différentes valeurs limites. L’équation de Nye (1960) pour les ondes cinématiques peut être reproduite et l’analyse non linéaire qui en est faite montre que les perturbations atteignent le front du glacier en un temps fini et sont uniformément bloquées: dans le cas particulier que l’on considère ici on peut aussi montrer que le champ de température est stable.

On montre que l’effet de l’introduction d’une loi (réaliste) de glissement dépendant de façon continue de la température a un effet maximum sur le profil de température au lit rocheux.

Finalement nous considérons les ondulations saisonnières en utilisant une équation d’onde cinématique basée sur une forme plausible de la loi de glissement avec cavitation. Les principaux faits d’observations sont qualitativement reproduits.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wird der Prozess beschrieben, bei dem ein kompliziertes Modellsystem von Gleichungen und Randbedingungen rationell durch Entdimensionalisierung und asymptotische Annäherung in ein einfacheres und handlicheres System reduziert werden kann. Solch ein einfaches, irgendwoher abgeleitetes Modell wird dann für den nicht verformten zweidimensionalen Eisfluss vorgelegt. Es besteht aus zwei gekoppelten Gleichungen für die Strömungsfunktion und die Enthalpievariable in Verbindung mit einem komplexen System von Randbedingungen.

Die wesentlichen, dabei auftretenden dimensionslosen Parameter werden angegeben und ihre verschie-denen Grenzwerte erläutert. Nye’s (1960) Gleichung für kinematische Wellen kann reproduziert werden; ihre nichtlineare Analyse zeigt, dass Störungen das Gletscherende in begrenzter Zeit erreichen und dort einheitlich begrenzt sind. In dem hier betrachteten besonderen Fall lässt sich ausserdem zeigen, dass das Temperaturfeld stabil ist.

Es wird nachgewiesen, dass die Einführung eines (realistischen) Gleitgesetzes, das kontinuierlich von der Temperatur abhängt, einen bedeutenden Einfluss auf das Temperaturprofil am Felsbett hat.

Zuletzt werden mit Hilfe einer Gleichung für kinematische Wellen, die auf einer plausiblen Form des Gleitgesetzes bei Hohlraumbildung beruht, jahreszeitliche Wellen betrachtet. Die wichtigsten beobachteten Erscheinungen lassen sich dabei qualitativ reproduzieren.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1.Glacier geometry.

Figure 1

Fig. 2.Possible form of the sliding law when cavitation is present.

Figure 2

Fig. 3.Schematic form qf Q’(H) as afunction of Q.

Figure 3

Fig. 4.a. Sectional view of intersection of the two curves representing Equations(43) and (44).b. Possible form of contours Q ═ constant in the (T, X) plane.