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Thermal Convection in Ice Sheets: We look but do not see

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

T. Hughes*
Affiliation:
Institute for Quaternary Studies and Department of Geological Sciences, University of Maine at Orono, Orono, Maine 04469, U.S.A.
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Abstract

Thermal convection in the Antarctic and Greenland ice sheets has been dismissed on the grounds that radio-echo stratigraphy is undisturbed for long distances. However, the undisturbed stratigraphy lies, for the most part, above the density inversion in polar ice sheets and therefore does not disprove convection. An echo-free zone is widespread below the density inversion, yet nobody has cited this as a strong indication that convection is indeed present at depth. A generalized Rayleigh criterion for thermal convection in elastic-viscoplastic polycrystalline solids heated from below is developed and applied to ice-sheet convection. An infinite Rayleigh number at the onset of primary creep decreases with time and becomes constant when secondary creep dominates, suggesting that any thermal buoyancy stress can initiate convection but convection cannot be sustained below a buoyancy stress of about 3 kPa. An analysis of the temperature profile down the Byrd Station core hole suggests that about 1000 m of ice below the density inversion will sustain convection. Creep along the Byrd Station strain network, radar sounding in East Antarctica, and seismic sounding in West Antarctica are examined for evidence of convective creep superimposed on advective creep. It is concluded that the evidence for convection is there, if we look for it with the intention of finding it.

Résumé

Résumé

La convection thermique dans les calottes glaciaires: nous regardons mais nous ne voyons pas. La convection thermique dans les calottes glaciaires de l'Antarctique et du Groenland a été niée en raison du fait que la stratigraphie par radio-écho n’est pas troublée aux longues distances. Cependant la stratigraphie non troublée demeure, pour la plus grande part, au-dessus du point d’inversion de la densité dans les calottes glaciaires polaires et ne peut donc infirmer la convection. Il existe une zone sans écho largement en-dessous du point d’inversion de la densité, mais personne n’a encore cité ce fait comme un signe convaincant que la convection est vraiment présente en profondeur. Un critère de Rayleigh généralisé pour la convection thermique dans des solides polycristallins élastiques visco-plastiques, chauffés par en-dessous, a été développé et appliqué à la convection dans les calottes glaciaires. Un nombre de Rayleigh infini au départ de la déformation primaire décroît avec le temps et devient constant lorsque la déformation secondaire prévaut, ce qui suggère qu'une certaine flottabilité thermique peut faire débuter la convection, mais que la convection ne peut être entretenue en-dessous d’une flottabilité d’environ 3 kPa. Une analyse du profil de température à l’aval du forage de Byrd Station suggère qu’environ mille mètres de glace en-dessous du point d’inversion de la densité entretiendrait la convection. On examine le glissement dans le réseau de déformation de Byrd Station, les sondages radar en Est Antarctique et les sondages sismiques en Ouest Antarctique pour montrer l’existence d’une déformation convective superposée à la déformation advective. On conclut que la preuve de la convection est bien là, pour peu qu’on regarde avec l’intention de la trouver.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Wärmekonvektion in den Eisschilden: wir schaue, aber wir sehen nicht. In den Eisschilden der Antarktis und Grönlands wurde keine Wärmekonvektion angenommen, weil die mit Radar-Echolotungen ermittelte Stratigraphie auf weite Strecken hin ungestört ist. Diese ungestörte Schichtung liegt jedoch meist über der Dichteinversion in polaren Eisschilden und ist deshalb kein Beweis für das Fehlen von Konvektion. Eine Echo-freie Zone ist unterhalb der Dichteinversion weit verbreitet, doch hat dies noch niemand als starkes Anzeichen dafür erwähnt, dass in der Tiefe tatsächlich Konvektion auftritt. Ein verallgemeinertes Rayleigh-Kriterium für die Wärmekonvektion in elastisch-viskoplastischen Körpern, die von unten erwärmt werden, wird entwickelt und auf die Konvektion in Eisschilden angewandt. Eine unendlich grosse Rayleigh-Zahl nimmt beim Einsatz von Primärkriechen mit der Zeit ab und wird konstant, wenn das Sekundärkriechen domineirt; dies führt zu der Annahme, dass jede thermische Auftriebskraft die Konvektion einleiten kann, dass jedoch die Konvektion unterhalb einer Auftriebskraft von etwa 3 kPa nicht aufrecht erhalten werden kann. Eine Analyse des Temperaturprofils im Kernbohrloch an der Byrd-Siation deutet darauf hin, dass in einer Schicht von etwa 1000 m Eis unterhalb der Dichteinversion Konvektion herrscht. Kriecherscheinungen längs des Deformationsnetzes an der Byrd-Station, Radar-Echolotungen in Ost-Antarktika und seismische Tiefenmessungen in West-Antarktika werden auf das Vorhandensein konvektiven Kriechens in Überlagerung advektiven Kriechens hin überprüft. Es ergibt sich der Schluss, dass Konvektion wohl vorhanden ist, wenn wir mit der Absicht, sie zu finden, nach ihr suchen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1985
Figure 0

Fig. 1. The viscoplastic creep spectrum. Viscoplastic exponent n controls the relative viscous (n = 1) and plastic (n = ∞) behavior of effective strain-rate due to effective stress σ. Strain-rate exists at plastic yield stress σ and is time-dependent during primary and tertiary creep, but not during secondary creep.

Figure 1

Fig. 2. Strain in polycrystalline ice having an initially random grain fabric. Effective strain ε must surmount an activation barrier in lattice distortion energy E as effective stress α increases at constant effective strain-rate or as time t increases at constant effective stress.

Figure 2

Fig. 3. The path to stable thermal convection in an ice sheet. Time (t) variations of the Rayleigh number (Ra) and vertical strain (εzz) at constant vertical deviator stress ( σzz ) progress from primary creep (1), through slow unstable secondary creep (2) and recrystallization during tertiary creep (3), to fast stable secondary creep (2). In laboratory creep tests at one atmosphere, microcracking during tertiary creep may suppress fast stable secondary creep, but this will not be the case near the base of an ice sheet where hydrostatic pressures are high.

Figure 3

Fig. 4. The effects of changing vertical deviator stresses on thermal convection in an ice sheet. Top: A sudden drop in σzz reduces εzz for advective creep, but stops convective creep because zz turns negative and the resulting negative effective viscosity causes (Ra) to increase from negative infinity. Bottom: A sudden rise in σzz increases εzz for both advective and aonvecitve creep, and the increase for convective creep causes (Ra) to decrease from infinity to a higher value for slow unstable secondary creep than the value before the stress increase. The change in σzz occurs at the vertical broken line.