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A Glacier Flow Model Incorporating Longitudinal Deviatoric Stresses

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

E. M. Shoemaker
Affiliation:
Department of Mathematics, Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia V5A IS6, Canada
L. W. Morland
Affiliation:
School of Mathematics and Physics, University of East Anglia, Norwich NR4 7TJ, England
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

A model for glacier flow is developed which incorporates longitudinal deviatoric stress contributions to the field equations. The underlying assumptions may be applied to develop models for various situations. Here, they are developed for steady-state and non-steady-state sliding glaciers in plane flow. The models reduce to a proper generalization of plane-flow pseudo-hydrostatic theory if longitudinal deviatoric stresses are neglected in comparison to basal shear stresses. Solution of this simpler reduced model allows an estimate to be made of the magnitude of the longitudinal deviatoric stress to test if it is negligible or, more generally, investigate under what conditions it can be neglected. The steady-state model predicts that longitudinal deviatoric stresses are negligible for very arbitrary non-uniform sliding-law distributions provided that the following conditions exist: the region must be distant from an ice divide or terminus and subject to normal (not extreme) accumulation or ablation. On the other hand, examples are produced where, under non-steady conditions, longitudinal deviatoric stresses are important and even dominant.

Résumé

Résumé

Le modèle d’écoulement de glacier développé introduit les effets de la composante longitudinale du déviateur des contraintes dans les équations. Les hypothèses sous-jacentes peuvent être appliquées au développement de modèles pour des cas de figures variées. Ici, elles sont envisagées pour des glaciers glissant en écoulement plan, à l’état stationnaire et non stationnaire. Le modèle se ramène à une généralisation adéquate de la théorie pseudo-hydrostatique en écoulement plan si la contrainte longitudinale déviatrice est négligée devant la contrainte de cisaillement basale. Une solution de ce modèle plus simple permet une estimation de l’amplitude de la contrainte déviatrice longitudinale en tant que test de son importance, ou de façon plus générale, en tant que recherche des conditions qui la rendent négligeable. Le modèle d’état stationnaire conduit à des contraintes longitudinales négligeables pour de très arbitraires lois non uniformes de glissement sous réserve de l’existence des conditions suivantes: les régions doivent être éloignées d’une diffluence ou d’un front et soumises à des accumulations ou ablations normales (extrema exclus). D’autres part des exemples produits montrent que dans des conditions non stationnaires des contraintes longitudinales déviatrices ont un effet important et même dominant.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wird ein Modell für den Gletsherfluss entwickelt, das längsgerichtete, ablenkende Druckkomponenten in die Feldgleichungen einführt. Die getroffenen Annahmen können zur Aufstellung von Modellen für verschiedene Situationen verwendet werden; hier werden Modelle für den stationären und nicht-stationären ebenen Fluss gleitender Gletscher dargestellt. Die Modelle vereinfachen sich zu einer geeigneten Verallgemeinerung der pseudohydrostatischen Theorie für ebenen Fluss, wenn ablenkende Normaldrucke gegenüber der Scherspannung am Untergrund vernachlässigt werden. Die Lösung dieses einfacheren Modells erlaubt eine Beurteilung der Frage, ob das Ausmass des längsgerichteten, ablenkenden Druckes vernachlässigbar ist, oder allgemeiner, eine Untersuchung, unter welchen Bedingungen dieser vernachlässigbar werden kann. Das stationäre Modell lässt erkennen, dass bei konstantem Fluss ablenkende Normaldrucke gegenüber der Scherspannung am Untergrund für weitgehend willkürliche Verteilungen im nicht-gleichformigen Gleitgesetz vernachlässigt werden dürfen, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: Das Gebiet muss entfernt von einer Eisscheide oder einem Gletseherende liegen und darf nur normale (nicht aussergewöhnliche) Akkumulation oder Ablation aufweisen. Andrerseits werden Beispiele angeführt, wo unter nichtstationären Bedingungen die ablenkenden Längsdrucke wichtig und sogar bestimmend sind.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
Figure 0

Fig. 1. A section of a glacier or ice sheet sliding over a flat inclined bed. Positive directions are shown for accumulation b(x), velocity components (u, v), and stress components.

Figure 1

Table I. Dimensionless Width H⋆ of Boundary Layer. Average Plateau Value of Txx/Tb Outside Boundary Layer Over Interval (0.10) and Slope (Txx/Tb)′ in Plateau Region. All For α = b = T0 = 0, λ = 1

Figure 2

Fig. 2. Illustrations of the effect of q and T0 upon the dimensionless variables H, Txx, and Tb in steady-state flow. The Txx curves start from (0,−1) and the Tb curves start from (0,1). Two cases shown correspond to α = 0, b = 0, λ = 1, T0 = −1, ūo = 0.5, with (i) q = 400 and (ii) q = 25.

Figure 3

Fig. 3. The effect of a sudden reduction in sliding coefficient in a central region upon dimensionless variables Tb and flux F. Height H and the pseudo-hydrostatic basal shear stress Tph result from a steady-state solution with λ ≡ 1, q = 400 ū0 = 0.2, α = b = 0. Tb and F result from steady-state H input to non-steady-state equations with λ = 1/5 on 0.25 < ξ < 0.5. Arrows indicate a near-jump discontinuity.

Figure 4

Fig. 4. The effect of a sudden reduction in sliding coefficients from unity in a central region 0.25 < ξ < 0.5 upon Txx/Tb. Cases shown are q = 100, λ = 1/8 (---), q = 400, λ = 1/5 (—), q = 100, λ = 1/2 (⃜), all for u0 = 0.2.

Figure 5

Table II. Effects of ū0 on Deviatoric Stress in Non-Steady-State Situation. Values of Txx/Tb at Different ξ for λ = 1/5 in Central Region, Ξ = 0.25, All For q = 400. T′ Values are (Txx/Tb)′ (Nearly Constant) in Central Region Outside Boundary Layer.

Figure 6

Table III. Effect of q Upon Deviatoric Stresses, All Cases for λ = 1/2 in Central Region and ū0 = 1/3. T′ Value for q = 25 is Not Meaningful Because of Boundary Layer

Figure 7

Table IV. Effects of λ Upon Deviatoric Stresses. All Cases for q = 200 and ū0 = 1/2