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The Equation of Continuity and its Application to the Ice Sheet Near “byrd” Station, Antarctica*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

I. M. Whillans*
Affiliation:
Institute of Polar Studies and Department of Geology and Minearalogy, Ohio State University, Columbus, Ohio 43210, U.S.A.
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Abstract

The continuity relationship that is often used in the study of ice sheets and ice shelves is developed by integrating the equation of continuity through the ice thickness. This equation is then integrated again with respect to horizontal distance from an ice divide, showing that the difference between the true ice velocity and the balance velocity, which is defined, is a measure of the time chance of the mass of a column through the ice thickness.

The relationship is applied using data from along the “Byrd” station strain network, Antarctica. This region is found to be thinning slowly (0.03 m a−1 of ice of mean density) and uniformly, but it is still close to steady-state. The calculations would show a larger thinning rate if bottom sliding contributed more to the ice movement and integral shear contributed less, but the “Byrd” station bore-hole tilting results of Garfield and Ueda (1975, 1976), together with surface velocity measurements at “Byrd” station, indicate that most of the ice flow is by deformation within the ice mass. This large amount of internal deformation is more than that predicted by most “flow laws”, probably because of the strongly oriented ice-crystal fabric in the ice sheet. The cause of ice thinning is probably decreased surface mass balance beginning before A.D. 1550.

The consistent relationship between measured velocity and balance velocity indicates that the ice flow is simple and that flow lines are in the same direction at depth as at the surface when considered smoothed over a distance of 10 km. Because the ice sheet is at present thinning, the balance velocity, calculated only from flow line and surface mass-balance data, and the somewhat mistaken assumption of steady-state is 15% less than the true ice velocity. This rather small difference confirms the use of balance-velocity estimates where velocity measurements are not available.

Résumé

Résumé

La relation de continuité que l’on utilise souvent dans l’étude des calottes glaciaires et des banquises est développée en intégrant l’équation de continuité à travers l’épaisseur de la glace. Cette équation est alors intégrée à nouveau par rapport à la distance horizontale depuis un point de séparation de deux écoulements glaciaires; elle montre que la différence entre la vraie vitesse de glace et la vitesse “de balance” qui est définie est une mesure du changement avec le temps de la masse d’une colonne à travers l’épaisseur de la glace.

La relation est appliquée en utilisant des données recueillies dans le réseau de déformation de la station “Byrd” dans l’Antarctique. On trouve que cette région est en train de s’amincir lentement (0,03 m a−1 de glace de densité moyenne) et uniformément, mais est encore proche de son état stationnaire. Les calculs aboutiraient à une vitesse d’amincissement plus forte si le glissement sur le fond contribuait plus au mouvement de la glace, et le cisaillement interne y contribuait moins, mais les résultats des mesures d’inclinaison des trous de forage à la station “Byrd” obtenus par Garfield et Ueda (1975, 1976) ainsi que les mesures de vitesse de surface à la station “Byrd”, prouvent que la plus grande part de l’écoulement de la glace est le fruit de la déformation interne de la masse de glace. Cette grande importance de la déformation interne est supérieure à celle e prévue par la plupart des “lois d’écoulement”, probablement en raison de la forte orientation préférentielle des axes optiques des cristaux dans la glace de calotte. La cause de l’amincissement est probablement une baisse du bilan de masse superficiel commençant avant A.D. 1550.

L’existence d’une relation étroite entre la vitesse mesurée et la vitesse de balance indique que l’écoulement de la glace est simple et que les lignes de courant sont dans la même direction en profondeur qu’en surface dès lors qu’on considere des resultats lisses sur 10 km. Comme la calotte glaciaire est en cours d’amincissement, la vitesse de balance, calculée seulement à partir des lignes de courant et des donnes du bilan de surface mais avec l’hypothèse quelque peu erroné d’un état stationnaire, est de 15% inférieur à la véritable vitesse de la glace. Cette différence assez faible confirme la légitimité de l’utilisation des estimations de la vitesse d’après les bilan lorsqu’il n’y a pas de mesures de vitesse disponibles.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Kontinuitätsbeziehung, welche oft beim Studium von Eisschilden und Schelfeisen benutzt wird, wird durch Integration der Kontinuitätsgleichung über die Eisstärke hergeleitet. Diese Gleichung wird dann nochmals über die Horizontalentfernung zu einer Eisscheide integriert, woraus sich ergibt dass die definierte Differenz zwischen der wahren Eisgeschwindigkeit und der Ausgleichsgeschwindigkeit ein Mass für die zeitliche Änderung der Masse einer Säule durch das Eis ist.

Die Beziehung wird auf Daten ans dem Spannungsnetz längs der “Byrd”-Station, Antarktika, angewandt. In dieser Region findet eine langsame (0,03 m/Jahr von Eis mittlerer Dichte) und gleichförmige Ausdünnung statt, doch verhält sie sich fast noch stationär. Die Rechnungen würden eine grössere Ausdünnungsrate ergeben, wenn Gleiten am Untergrund mehr, innere Scherung dagenen weniger zur Eisbewegung beitragen würde; doch weisen die Neigungsergebnisse von Garfield und Ueda (1975, 1976) vom Bohrloch bei der “Byrd”-Station zusammen mit Messungen der Oberflächengeschwindigkeit an der “Byrd”-Station darauf hin, dass die Eisbewegung hauptsächlich auf der Deformation innerhalb der Eismasse beruht. Dieser grosse Betrag innerer Deformation übertrifft die Vorhersage der meisten “Fliessgesetze”, vermutlich infolge der Bildung straff orientierter Eiskristalle in der Eisdecke. Der Grund für das Ausdünnen des Eises liegt vermutlich in der abnehmenden Massenbilanz an der Oberfläche, die vor A.D. 1550 begann.

Die bestehende Beziehung zwischen gemessener Geschwindigkeit und Ausgleichsgeschwindigkeit zeigt an, dass der Eisfluss einfach abläuft und dass die Stromlinien in der Tiefe dieselbe Richtung aufweisen wie an der Oberfläche, wenn man über Strecken von 10 km Länge glättet. Infolge der gegenwärtigen Ausdünnung des Eises ist die Ausgleichsgeschwindigkeit, berechnet ausschliesslich mit Daten von Stromlinien und aus der oberflächlichen Massenbilanz sowie unter der manchmal missverstandenen Annahme eines stationären Zustandes, 15% geringer als die wahre Eisgeschwindigkeit. Diese recht kleine Differenz lässt die Benutzung von Ausgleichsgeschwindigkeiten dort, wo Geschwindigkeitsmessungen nicht vorliegen, als zulässig erscheinen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1977
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Fig. 1.Relationship of terms in the upper boundary condition for the case of zero net change of surface elevation, and two-dimensional flow.

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Fig. 2.Schematic illustrating the terms in Equation (3). For simplicity, uy = 0, in the figure. The figure in heavy lines represents a column through the ice thickness.

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Fig. 3.Relative ice velocity profile at “Byrd” station from Garfield and Ueda (1975). The dotted line is the maximum relative velocity and the solid line is the relative velocity component in the direction S. 40° W. The dashed line is the interpolation to the total relative velocity at the bottom. Ice depths are adjusted to the mean ice density of 911.7 kg m−3 (personal communication from A. J. Gow in 1976). Relative velocity measurements were not possible below the density-adjusted depth of 1 482 m because the bore hole became blocked.

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Fig. 4.Surface velocity uxt and balance velocity qx for φ = 0.86. Dotted line is for φ = 1.0 and dashed line is for φ = 0.86 including the cross-traverse ice advection term. “Byrd” station and the deep bore hole are at km 162.

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Fig. 5.Map view showing the location of the “Byrd” station strain network (rectangle), ice thicknesses in meters, and surface velocity vectors, in the inset map the strain network is the short straight line.