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Calculation of A Velocity Distribution from Particle Trajectory End-Points

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

L. A. R Rasmussen*
Affiliation:
U.S. Geological Survey, Tacoma, Washington 98402, U.S.A.
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Abstract

The longitudinal component of the velocity of a particle at or near a glacier surface is considered, its position as a function of time being termed its trajectory. Functional relationships are derived for obtaining the trajectory from the spatial distribution of velocity and for obtaining the velocity distribution from the trajectory. It is established that the trajectory end-points impose only an integral condition on the velocity distribution, and that no individual point on the velocity distribution can be determined if only the end-points are known. An example is given of a deduced velocity distribution that is consistent with (although not uniquely determined by) the end-points of several trajectories on the lower reach of Columbia Glacier, Alaska. It is shown that constructing a velocity distribution by assigning the average trajectory velocity to the trajectory mid-point can be subject to errors of several per cent for velocity distribution features that are typical of actual glaciers. The error in this method is determined, and closed-form expressions for the trajectory are obtained, for linear velocity distributions and for two classes of second-degree distributions. The class of functions is identified to which the velocity distribution must belong for this error to be zero.

Résumé

Résumé

La composante longitudinale de la vitesse d’une particule à la surface ou près de la surface d’un glacier est examinée, avec sa position en fonction du temps qui limite sa trajectoire. On en déduit les relations qui permettent d’obtenir la trajectoire à partir de la distribution dans l’espace de la vitesse et la distribution des vitesses à partir de la trajectoire. On établit que la connaissance des extrémités de la trajectoire impose seulement une condition intégrale que doit satisfaire la distribution des vitesses si on ne connaît que les extrémités de la trajectoire. On donne un exemple de déduction d’une distribution des vitesses qui est cohérente (bien que non déterminée uniquement par elles) avec les positions des extrémités de plusieurs trajectoires sur la langue du Columbia Glacier en Alaska. On montre que la construction d’une distribution des vitesses en attribuant la vitesse moyenne le long d’une trajectoire au point situé au milieu de cette trajectoire peut entraîner des erreurs de plusieurs pour cent dans des modes de distribution des vitesses qui sont courants sur glaciers réels. On calcule l’erreur induite par une telle méthode et on obtient des expressions très convenables pour la trajectoire, pour des distributions linéaires des vitesses et pour deux classes de distributions du second degré. On identifie la classe des fonctions auxquelles la distribution des vitesses doit appartenir pour que cette erreur soit nulle.

Die Längskomponente der Geschwindigkeit eines Partikels auf oder nahe der Oberfläche eines Gletschers wird betrachtet, wobei dessen Lage als Funktion der Zeit aus seiner Bahn bestimmt wird. Zur Gewinnung der Bahn aus der räumlichen Geschwindigkeitsverteilung und umgekehrt werden funktionale Beziehungen hergeleitet. Es wird nachgewiesen, Dass die Endpunkte der Bahnen nur eine Integrationsbedingung für die Geschwindigkeitsverteilung liefern und dass kein spezieller Wert der Geschwindigkeitsverteilung bestimmt werden kann, wenn nur die Endpunkte bekannt sind. Ein Beispiel für eine abgeleitete Geschwindigkeitsverteilung wird gegeben, die mit den Endpunkten einiger Bahnen im unteren Bereich des Columbia Glacier, Alaska. übereinstimmt, wenn sie auch durch diese nicht eindeutig bestimmt wird. Es zeigt sich, dass die Konstruktion einer Geschwindigkeitsverteilung durch die Zuweisung der mittleren Bahngeschwindigkeit an den Bahnmittelpunkt infolge von Besonderheiten in der Geschwindigkeitsverteilung, die typisch für bestehende Gletscher sind, um einige Prozent verfälscht werden kann. Der Fehler dieses Verfahrens wird bestimmt; für die Bahnen bei linearen Geschwindigkeitsverteilungen und bei zwei Klassen von Verteilungen 2. Grades werden geschlossene Ausdrücke hergeleitet. Die Klasse von Funktionen, zu denen die Geschwindigkeitsverteilung gehören muss, wenn dieser Fehler verschwinden soll, wird festgestellt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1983
Figure 0

Table 1 Trajectory end-points for Three Survey Stakes and Twelve Photogrammetrically Observed Surface Features on the Lower Reach of Columbia Glacier

Figure 1

Fig. 1. Reciprocal velocity function r(x) = 1/v constructed numerically to conform with the fifteen trajetories listed in Table 1.

Figure 2

Fig. 2. Velocity distribution v = g(x), which is the reciprocal of the function shown in Figure 1.

Figure 3

Fig. 3. Relative error E1(a) for linear velocity distribution v = g(x) where a = g(x1)/g(x0).

Figure 4

Fig. 4. Particle trajectories x = f(t) from linear velocity distributions v = g(x) for a = g(x1)/g(x0) as indicated.

Figure 5

Fig. 5. Quadratic velocity distributions v = g(x) for b = g(x)/g(x0) as indicated.

Figure 6

Fig. 6. Particle trajectories x = f(t) from quadratic velocity distributions v = g(x), for b = g(x)/g(x0) as indicated.

Figure 7

Fig. 7. Relative error, E2(b) for quadratic velocity distribution (solid curve) and E3(c) for conic velocity distribution (dashed curve), where v = g(x) and b, c = g(x)/g(x0).

Figure 8

Fig. 8. Conic velocity distributions v = g(x) for c = g(x)/g(x0) as indicated.

Figure 9

Fig. 9. Particle trajectories x = f(t) from conic velocity distributions v = g(x), for c = g(x)/g(x0) as indicated.

Figure 10

Fig. 10. Velocity distribution for the ice-fall reach of the Columbia Glacier, both the actual (solid curve) and that which would be produced by the trajectory-average method (dashed curve).

Figure 11

Fig. 11. Relative error E(x) in applying the trajectory-average method to the velocity distribution shown as the solid curve in Figure 10 for Δt = 2.0a (solid curve), 1.0a (dashed curve), 0.5a (dotted curve), and 0.25a (crossed curve).