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Radio Echo Sounding of Horizontal Layers in Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

C. H. Harrison*
Affiliation:
Scott Polar Research Institute, Cambridge, England
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Radio echo-sounding surveys of Antarctica and Greenland have revealed extensive layering within the ice. Formulae for the effective reflection coefficient, when viewed by a pulsed radar, are derived for isolated or multiple randomly spaced layers. In the latter case the variation in dielectric constant with depth is described by a vertical autocorrelation function and a standard deviation. Some measurements of the reflection coefficient of layers, and the dielectric absorption of ice are given. The significance of the fading of layer echoes and the possible causes of variations in the dielectric constant are considered and some further investigations are suggested.

It is concluded that the echo strengths found in the Antarctic may be explained by multiple layering, and that the necessary fractional change in the dielectric constant may be as small as 10−4. It is suggested that this change in dielectric constant may be due to differences in orientation of anisotropic ice crystals.

Une campagne de sondages par écho-radio sur l’Antarctique et le Groenland ont révélé une stratification horizontale très poussée à l’intérieur de la glace. Les formules pour le coefficient effectif de réflexion, lors du survol par un radar pulsé, sont établies pour un niveau isolé ou pour des niveaux multiples distribués au hasard. Dans ce dernier cas, la variation de la constante, diélectrique avec la profoundeur est représentée par une fonction d’autocorrélation verticale et une déviation standard. On donne quelques mesures de coefficients de réflexion de certains niveaux, ainsi que l’absorbtion diélectrique de la glace. On étudie la signification de l’évanouissement des échos de certains niveaux, ainsi que les causes possibles des variations de la constante diélectrique, on en tire quelques suggestions pour de nouvelles recherches.

On conclut que la puissance des échos obtenus dans l’Antarctique peut s’expliquer par la présence de niveaux multiples et que la variation relative qu’il est nécessaite d’admettre pour la constante diélectrique peut être très faible, de l’ordre de 10−4. On émet l’hypothèse que cette variation de la constante diélectrique peut être due à des différences dans l’orientation de cristaux anisotropiques de glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Radarseismische Messungen in der Antarktis und in Grönland erwiesen eine ausgedehnte Schichtung im Eis. Formeln für den effektiven Reflexionskoellizienten eines gepulsten Radars bei isolierten oder mehrfachen, zufällig verteilten Schichten werden hergeleitet. Im zweiten Fall lässt sich die Änderung der Dielektrizitätskonstante durch eine vertikale Autokorrelationsfunktion und eine Standardabvveichung beschreiben. Einige Messungen des Reflexions-koeffizienten an Schichten und der dielektrischen Absorption von Eis werden angegeben. Die Bedeutung des Verlöschens von Schichtechos und die möglichen Ursachen von Änderungen der Dielektrizitätskonstante werden betrachtet und einige weitere Untersuchunen werden vorgeschlagen.

Es lässt sich schliessen, dass Echostärken, wie sie in der Antarktis auftreten, auf mehrfache Schichten zurückzuführen sind und dass die dafür notwendige relative Änderung der Dielektrizitätskonstante nicht grösser als 10−4 zu sein braucht. Als Erklärung für diesen Wechsel der Dielektrizitätskonstante werden Unterschiede in der Orientierung anisotroper Eiskristalle vorgeschlagen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1973
Figure 0

Fig. 1.The flight lines covered by the S.P.R.I.–N.S.F. surveys in the Antarctic and the geographical distribution of observed layer echoes (stipple). Measurements of the reflection coefficient of the layers and the attenuation per unit depth have been made at the numbered sites (Table I).

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Fig. 2.Extensive layer echoes.

Figure 2

Fig. 3.Layer echoes showing the characteristic low fading rates (long fading length) and the characteristic vertical spacing.

Figure 3

Fig. 4.Three hypothetical variations of ϵ with depth showing the relative magnitude of the pulse length pm: (a) isolated thin layers, (b) random variations of ∆ϵ, and (c) a random variation of ∆ϵ where the average properties may change over a distance greater than the pulse length.

Figure 4

Fig. 5.The variation of the reflection coefficient R with layer thickness l for (a) a single layer and (b) multiple random layers.

Figure 5

Table. I.Reflection coefficients and attenuation for sites shown in Figure 1

Figure 6

Fig. 6.A typical A-scope display showing layer echoes. The intensity scale is PR/PTin dB.

Figure 7

Fig. 7.Radio echo record showing a slight change in position of some of the layer echoes on alteration of pulse length; L≡1 μs, S≡250 ns.

Figure 8

Fig. 8.Radio echo record showing fading layer echoes where the fading rates at different depths are unrelated.

Figure 9

Fig. 9.Diagram showing a line of constant reflection coefficient (constant layer thickness) (dotted line) as the layered ice passes over mountainous bedrock.

Figure 10

Fig. 10.Radio echo records showing weakening of the layer echoes over mountainous bedrock.