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The Formation and Composition of the Gas Content of Sea Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

V. L. Tsurikov*
Affiliation:
Okeanograficheskaya Komissiya Akademii Nauk S.S.S.R., ul. Vavilova 44, Moskva 117333, U.S.S.R.
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Abstract

The different factors contributing to the formation of the gas porosity of sea ice are: (Ia) gases captured during the formation of the initial ice cover, (Ib) gases released from solution during the initial freezing of sea-water, (Ic) the inclusion of gases rising from the sea bottom, (2a) the substitution of gas for brine drained from the ice during times of melting, (2b) the release of gas from the brine within the ice during the course of partial freezing, and (2c) the formation of voids filled with water vapour during the course of internal melting. An analysis is made of each of these processes and it is concluded that processes Ib, 2a, and 2C are important. Process Ic may also be a major effect but it is difficult to evaluate until the rate of gas release from the sea floor is better known. The migration of air pockets into the ice from the overlying snow is shown to be a possible but not a significant effect. Available data on the composition of gas in sea ice are reviewed and it is shown to be significantly different from air. Possible causes for these differences are discussed.

The porosity of sea ice, i.e. the total relative volume of its gas plus its brine inclusions, is one of the factors strongly affecting its strength, as has been shown by Tsurikov (1947) and by Weeks and Assur (1968). In seas with high salinities the effect of the presence of brine within the ice will usually be the dominant factor. However on water bodies with low salinities the effect of the gas included within the ice may be greater than the effect of the brine. Despite its significance there have not been any attempts at a quantitative analysis of the entrapment of gas in sea ice. This paper is an attempt at such a study.

Résumé

Résumé

Les différents facteurs contribuant à la formation de la porosité aux gaz de la glace de mer sont: (Ia) Les gaz emprisonnés au moment de la formation de la couverture de glace initiale. (Ib) Les gaz rejetés à partir de solutions au cours du gel initial de l’eau de mer. (Ic) La capture de gaz montant du fond de la mer. (2a) La substitution de gaz à la saumure qui s’écoule de la glace pendant les périodes de fusion. (2b) Le dégagement de gaz depuis la saumure contenue dans la glace pendant la période de regel partiel. (2c) La formation de vides remplis de vapeur d’eau au cours de la fusion interne. On analyse chacun de ces processus et on conclue que les facteurs Ib, 2a et 2c sont importants. Le processus 1c peut également avoir un effet prédominant, mais il est difficile de l’estimer tant que le taux de dégagement de gaz depuis le fond de la mer n’est pas mieux connu. La migration de poches d’air dans la glace à partir de la neige sus-jacente est, montre-t-on, un effet possible mais non significatif. On passe en revue les résultats connus sur la composition des gaz dans la glace de mer et on montre qu’elle est significativement différente de celle de l’air. On discute les causes possibles, de ces différences.

La porosité de la glace de mer c’est à dire le volume total relatif de ces inclusions en saumure et en gaz est l’un des facteurs qui affecte le plus sa résistance mécanique comme l’ont montré Tsurikov (1947) et Weeks et Assur (1968). Dans les mers à haute salinité, l’effet de la présence de saumure dans la glace sera d’ordinaire le facteur dominant. Cependant dans les eaux de faible salinité, les effets de la teneur en inclusions gazeuses peuvent l’emporter sur ceux de la saumure. En dépit de son importance, il n’a pas été possible de donner une idée d’une analyse quantitative de la capture des gaz par la glace de mer. Cet article est une tentative vers une telle étude.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die verschiedenen Prozesse, die zur Bildung der Gasporosität von Meereis führen, sind: (Ia) Gaseinschluss bei der Bildung der ursprünglichen Eisdecke; (Ib) Gasfreigabe aus der Lösung während des Gefreirprozesses; (Ic) Einschluss von Gasen, die vom Meeresgrund aufsteigen; (2a) Ersatz der ausfliessenden Sole durch Gas in Schmeiz- perioden; (2b) Gasfreigabe aus der Sole im Eis während ihres teilweisen Gefreierens; (2c) Bildung von Hohlräumen, die sich im Verlauf des inneren Schmelzens mit Wasserdampf füllen. Die Analyse jedes dieser Prozesse zeigt, dass die Vorgänge Ib, 2a und 2C bedeutungsvoll sind. Prozess 1c kann ebenfalls grössere Wirkung haben, doch lässt sich dies schwer feststellen, solange das Ausmass der Gasfreigabe vom Meeresgrund nicht besser bakannt ist. Die Wanderung von Gaseinschlüssen aus der Schneedecke in das Eis erweist sich als möglicher, jedoch nicht signifikanter Effekt. Vorhandene Daten über die Gaszusammensetzung werden überprüft und zeigen deren beträchtliche Verschiedenheit gegenüber der Luft. Mögliche Ursachen für diese Unterschiede werden diskutiert.

Die Porosität des Meereises, d.h. das totale relative Volumen seines Gas- und Solegehaltes, ist einer der Faktoren, von dem vor allem seine Festigkeit abhängt, wie Tsurikov (1947) und Weeks und Assur (1968) gezeigt haben. In Meeren mit hohem Salzgehalt dominiert gewöhnlich der Einfluss des Vorhandenseins von Sole im Eis. Hingegen dürfte in Wasserkörpern mit geringem Salzgehalt der Einfluss des im Eis eingeschlossenen Gases höher sein als der der Sole. Trotz seiner Bedeutsamkeit wurden keine Versuche zur Quantiativen Analyse des Gaseinschlusses im Meereis unternommen. Die vorliegende Arbeit möchte diese Lücke schlissen.

Information

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

Table I.The derivatives dLN/dp, dLo/dp, and dLΣ/dp

Figure 1

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Figure 2

Table II.Limits of brine saturation by nitrogen and oxygen

Figure 3

Fig. 2

Figure 4

Table III.The rate of migration of air bubbles and brine pockets in the ice with the temperature gradient I/deg cm–1

Figure 5

Table IV.Gas composition in sea and pond ice