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Stability of Glaciers and Ice Sheets Against Flow Perturbations

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

David E. Thompson*
Affiliation:
Planetology Section, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California 91103, U.S.A.
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Abstract

A stability equation is derived for a model glacier of initially uniform thickness and of infinite extent transverse to the primary flow flowing without slip down an inclined plane. A stress-dependent power-law viscosity is wholly incorporated into the equations of motion. Stability of the glacier is tested against long-wavelength surface perturbations. Results for this initial formulation indicate that the glacier is stable against infinitesimal amplitude surface perturbations, although for certain variations of model parameters, the decay-rate of the disturbance becomes very slow, approaching neutral stability. Results are presented in terms of decay-rate magnitudes over a large range of perturbation wavelengths for many model glaciers in which bed slope, ice thickness, and ice rheology parameters are varied. For all models, the maximum decay-rate of the perturbation occurs at disturbance wavelengths of roughly three to six times the glacier thickness. Infinite-wavelength perturbations are found to be only neutrally stable. Long-wavelength perturbations propagate at a faster rate down-glacier than do the intermediate- or shorter-wavelength ones which tend to remain fixed on the glacier surface andride down-glacier with the primary flow as they decay.

Résumé

Résumé

On a établi une équation de stabilité pour un modéle de glacier d'épaisseur initiale uniforme, coulant sans glissement au sol sur un plan incliné et d'étendue infinie dans le sens transversal à l'écoulement principal. Une viscosité régie par une loi-puissance en fonction de la contrainte est entiérement incorporée dans l’équation du mouvement. On a étudié la stabilité du glacier en cas de perturbation de surface à large périodicité. Les résultats de cette premiére formulation indiquent que le glacier est stable pour des perturbations de surface d'amplitude infinitésimale, bien que, pour certaines variations des paramétres du modéle, la vitesse d'extinction de la perturbation devienne trés faible, approchant d'une stabilité neutre. On présente les résultats obtenus pour les ordres de grandeur de la vitesse d'extinction pour une large gamme de périodicité pour de nombreux types de glaciers où les pentes du lit, les épaisseurs de glace et les paramétres rhéologiques pour la glace sont variés. Dans tous les modèles, la plus grande vitesse d'extinction de la perturbation pour des longueurs d'onde de la perturbation d'environ six à trois fois l'épaisseur du glacier. Des variations de longueur d'onde infinie sont seulement destabilité neutre. Les perturbations à grande longueur d'onde se propagent plus vite vers l'aval que celles de longueur d'onde intermédiaire ou courte qui tendent à rester fixées sur le glacier et se surimposer à l'aval de l'écoulement principal du glacier tout en diminuant d'amplitude.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Für einen Modellgletscher von ursprünglich konstanter Dicke, der ohne Gleiten über eine geneigte Ebene fliesst und senkrecht zur Hauptfliessrichtung unbegrenzte Ausdehnung besitzt, wird eine Stabilitätsgleichung hergeleitet. Eine spannungsabhängige Viskosität nach einem Potenzgesetz ist durchwegs in die Bewegungsgleichungen eingeführt. Die Stabilität des Gletschers gegen langwellige Störungen an der Oberfläche wird geprüft. Die Ergebnisse für diese Ausgangsformulierung zeigen, dass der Gletscher gegen Oberflächenstörungen mit infinitesinaler Amplitude stabil ist, obwohl für gewisse Änderungen der Modellparameter die Abklingrate der Störung sehr langsam wird und sich neutrater Stabilität nähert. Die Ergebnisse werden in der Form vonWerten der Abklingrate über einen grossen Bereich von Störungswellenlängen und für viele Modellgletscher mit unterschiedlichen Bettneigungen, Eisdicken und rheologischen Parametern vorgelegt. Bei allen Modellen tritt die maximale Abklingrate der Störung bei Wellenlängen auf, die etwa das drei- bis sechsfache der Gletscherdicke betragen. Störungen mit unbegrenzter Wellenlänge ergeben sich als nur neutral stabil. Langwellige Störungen pflanzen sich gletscherabwärts schneller fort als mittellang- oder kurzwellige, die dahin tendieren, auf der Gletscheroberfläche ortsfest zu bleiben und mit dem Hauptfluss gletscherabwärts zu wandern, während sie abklingen.

Information

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

Fig. 1. Coordinate system for a glacier of infinite extent perpendicular to the (x,y) plane. The glacier flows down a smooth slope at angle β to the horizontal. Cartesian coordinates andvelocity components are marked, x-direction positive down-slope and along the upper surface, y-direction positive downward. A schematic primary flow profile ū(y) over depth d is drawn also.

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Fig. 2. Conditions of the primary flow.a(left). Comparison of flow profiles ū(y) and ūNYE(y) using Nye (1957, p. 123, equation (33)).b(right). The primary viscosity profile (1 bar a = 3.156 × 1013 P).

Figure 2

Fig. 3. Decay-rate magnitude versus perturbation wavenumber for models of constant slope β = 3° and material parameter ϵ = 1.14 X 10−2 a−1 but with variations in thickness d.

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Fig. 4. Decay-rate magnitude versus perturbation wavenumber for models of constant thickness d = 400 m and material parameter ϵ = 1.14 X 10−2 a−1 but with variations in slope β.

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Fig. 5. Decay-rate magnitude versus perturbation wavenumber for models of constant thickness d = 400 m and slope β ═ 3° but with variations in material parameter ϵ, related to the viscosity.