Hostname: page-component-74656f9884-54qdv Total loading time: 0 Render date: 2026-11-10T08:47:31.914Z Has data issue: false hasContentIssue false

Role of Debris Cover in the Thermal Physics of Glaciers

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

A. N. Bozhinskiy
Affiliation:
Laboratory of Snow Avalanches and Mudflows, Geographical Faculty, Moscow State University, Moscow 117234, U.S.S.R.
M. S. Krass
Affiliation:
Institute of Mechanics, Moscow State University, Moscow 117234, U.S.S.R.
V. V. Popovnin
Affiliation:
Laboratory of Snow Avalanches and Mudflows, Geographical Faculty, Moscow State University, Moscow 117234, U.S.S.R.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

A mathematical model is presented of non-stationary melting processes of ice including particles of morainic material. The problem is treated as a Stephen-type one with the phase boundary of ice melting being located under the debris cover. The main terms of the heat-balance equation for a glacier surface are solar radiation and convective heat transfer. The quantitative relationships characterizing the effect of glacier run-off augmentation from under a thin layer of debris cover are obtained for different bulk moraine concentrations inside the ice. The concept of equivalent time is introduced. It is defined as the time elapsed until the moment the sub-moraine ice-ablation rate becomes equal to the ablation rate of clean ice. This moment signifies the beginning of the shielding stage. Thus, a glacier can be considered as a self-controlling system with respect to its summer run-off. A series of numerical tests for Djankuat glacier, Central Caucasus, has been carried out. The dynamics of moraine-cover growth and alterations of seasonal ablation rate under debris show perfect agreement between the computed data and the results of 14 years of direct observations. Some practical recommendations concerning artificial blackening of a glacier surface for augmentation of liquid run-off are presented. Conditions promoting increase of run-off are: relatively high albedo, relatively low summer air temperature, and relatively small convective heat transfer between the air and the ice surface. The method of artificially blackening a glacier surface is by means of a durable thin dark polymer film. In conclusion, some further aspects of the problem are discussed.

Résumé

Résumé

On présente un modèle mathématique sur les processus non stationnaires de fonte de glace en présence de matériel morainique. Le problème est du type Stéphan avec une frontière de fonte de glace situé à la base d’une couche de débris. Les termes principaux de l’équation du bilan de chaleur à la surface sont dus à la radiation solaire et au transfert convectif. Les relations quantitatives caractéristiques de l’effet d’augmentation de débit dû aux fines couches de débris de surface sont obtenues pour différentes concentrations morainiques internes à la glace. On introduit le concept de temps équivalent, définit comme étant le temps passé jusqu’au moment où l’ablation de glace sous la couche de moraine devient égal à celle d’une glace propre. Ce moment est le début du stade de protection. Dans ces conditions un glacier peut être considéré comme un système se contrôlant lui même par rapport à son écoulement hydraulique estival. Une série de tests numériques ont été effectués pour le glacier Djankuat, Caucase central. La dynamique de croissance de la couverture morainique et les modifications de l’ablation saisonnières sous la couche de débris montrent une parfaite concordance entre les résultats du calcul et les 14 années d’observations directes. On fournit quelques recommandations pratiques sur le noircissement artificiel de surface glaciaires en vue d’augmenter le débit d’eau. Ces conditions à réunir pour favoriser cet accroissement de débit sont: un albedo relativement fort, une température estivale relativement basse et un transfert convectif de chaleur relativement faible entre l’air et la surface de glace. La méthode de noircissement artificiel de la surface du glacier utilise un fin film sombre de polymère. En conclusion, d’autres aspects de ce probléme sont discutés.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wird ein mathematisches Modell für das nicht-stationäre Problem des Schmelzprozesses von Eis, das Moränenmaterial enthält, vorgelegt. Das Problem wird als eines vom Stephan-Typ behandelt, wobei die Phasengrenze schmelzenden Eises unter der Schuttdecke liegt. Die Hauptglieder der Wärmebilanzgleichung für die Gletscheroberfläche sind die Sonnenstrahlung und der konvektive Wärmetransport. Die quantitativen Beziehungen zur Charakterisierung der Wirkung der Zunahme des Gletscherabflusses aus der Zone unter einer dünnen Schicht von Deckschutt werden für verschiedene Konzentrationen von Moränenmaterial im Eis gewonnen. Das Konzept der äquivalenten Zeit wird eingeführt. Sie ist definiert als Zeitspanne bis zu dem Augenblick, wo die Ablationsrate des schuttbedeckten Eises gleich der des reinen Eises wird. Dieser Augenblick kennzeichnet den Beginn des Abschirmzustandes. Ein Gletscher kann so im Hinblick auf seinen sommerlichen Abfluss als ein sich selbst regulierendes System betrachtet werden. Eine Reihe von numerischen Tests wurde für den Djankuat-Gletscher im Zentral-Kaukasus angestellt. Hinsichtlich der Dynamik der Zunahme der Schuttdecke und der Veränderungen der jahreszeitlichen Ablationsrate unter dem Schutt zeigen eine vollständige Übereinstimmung zwischen den berechneten Werten und den Ergebnissen 14-jähriger direkter Beobachtungen. Für die künstliche Schwärzung der Gletscheroberfläche zur Vermehrung des Abflusses werden einige praktische Empfehlungen gegeben. Bedingungen für eine solche Zunahme: relativ hohe Albedo, relativ niedrige Lufttemperatur im Sommer und relativ geringer konvektiver Wärmetransport zwischen Luft und Eisoberfläche. Die Methode der künstlichen Schwärzung von Gletscheroberflächen benützt einen dauerhaften, dünnen, dunkeln Kunststoffilm. Abschliessend werden einige neue Aspekte des Problems diskutiert.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1. The coordinate system for the problem. 1, moraine; 2, ice.

Figure 1

Fig. 2. Surface-albedo dependence on moraine-cover thickness.

Figure 2

Fig. 3. Djankuat glacier. (Photograph by E.A. Zolotaryov.)

Figure 3

Table I. Characteristic Albedo Values for Different Surface Types of the Glacier

Figure 4

Table II. Annual Course of Average Monthly Air Temperatures and Total Solar Radiation Over the Snout of Djankuat Glacier

Figure 5

Table III. Numerical Values of Model Parameters

Figure 6

Fig. 4. Moraine-cover thickness dependence on time. I, non-steady solution; II, quasi-stationary solution. 1, 2, 3, and 4 correspond to µ = 0.12%, 0.5%, 1%, and 5%.

Figure 7

Fig. 5. Sub-moraine ablation-rate dependence on time. I, curves αm(t); II, ablation rate ai on a clean-ice surface. 1, 2, 3, and 4 correspond to µ = 0.12%, 0.5%. 1%, and 5%.

Figure 8

Fig. 6. Equivalent time te dependence on debris concentration.

Figure 9

Fig. 7. Non-dimensional ablation rate am/ai dependences on time (lower scale) and on moraine-cover thickness for the Djankuat glacier case with µ = 0.12% (upper scale). 1, 2, 3, and 4 correspond to µ = 0.12%, 0.5%, 1%, and 5%.

Figure 10

Fig. 8. Moraine- and ice-temperature dependence on depth, for µ = 1%. I. temperature curves with depth; II. lower limit of debris layer. 1. temperature by 15 August; 2. temperature by 1 March.