Hostname: page-component-6766d58669-kl59c Total loading time: 0 Render date: 2026-05-20T14:40:42.986Z Has data issue: false hasContentIssue false

A Mathematical Approach to the Theory of Glacier Sliding

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

A. C. Fowler*
Affiliation:
School of Mathematics, 39 Trinity College, Dublin Republic of Ireland
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Abstract

Previous theories of glacier sliding are subject to the criticism that they are not properly formulated. Here we describe how the basal ice flow may be related to the bulk ice flow by means of the formal mathematical method of matched asymptotic expansions. A complete model of the basal sliding (involving coupled problems in ice, water film, and bedrock) may be rationally reduced by a dimensional analysis to a consideration of the ice flow only, and regelation may be neglected provided roughness is absent on the finest scales (< c. 1 mm). If the viscosity is supposed to be independent of the moisture content, then complementary variational principles exist which allow bounds on the drag to be obtained. In particular, these determine the magnitude of the basal velocity in terms of two crucial dimensionless parameters. Arguments are presented as to why realistic sliding laws should be taken as continuous functions of the temperature, and a (major) consequence of this assumption is mentioned. Finally the effect of cavitation is discussed, via an (exact) leading-order solution of the ice flow in the particular case of a Newtonian fluid and a “small” bedrock slope.

Résumé

Résumé

Les théories précédentes du glissement des glaciers sont sujettes à la critique de n’être pas convenablement formulées. Nous décrivons ici comment l’écoulement de la glace au fond peut être relié à l’écoulement d’ensemble de la masse de glace par le moyen de la méthode mathématique formelle des développements asymptotiques équivalents. Un modèle complet du glissement au fond (comprenant les problèmes connexes sur la glace, le film liquide et le lit roeheux) peut être rationnellement réduit par une analyse dimensionnelle à une considération ď écoulcment de glace uniquement, et le regel peut être négligé pourvu que la rugosité soit absente aux échelles les plus fines (<1 mm). Si on suppose que la viscosité est indépendante de la teneur en eau, il existe des principes complémentaires de variations qui permettent de fixer des limites au frottement. En particulier, ces principes déterminent l’ordre de grandeur de la vitesse au fond par le biais de deux paramètres adimensionnels fondamentaux. On présente des arguments expliquant pourquoi des lois réalistes de glissement doivent être considérées comme des fonctions de la température et une conséquence (essentielle) de cette hypothèse est mentionnée. L’effet de la teneur en eau liquide est briévement évoqué et finalement celui de la cavitation est discuté à partir ďune solution théorique (exacte) de l’écoulement de la glace dans le cas particulier d’un fluide Newtonien et ďune pente “faible” du fond du lit.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Gegen frühere Theorien des Gletschergleitens wird der Einwand erhoben, sie seien nicht sachgemäss formuliert. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie der Eisfluss am Untergrund mit Hilfe der formalen mathematischen Methode der angepassten asymptotischen Expansion zum Fluss der gesamten Eismasse in Beziehung gesetzt werden kann. Ein vollständiges Modell des Gleitens am Untergrund (einschliesslich der gekoppelten Probleme von Eis, Wasserfilm und Felsbett) lässt sich durch eine Dimensionsanalyse auf die Betrachtung des Eisflusses allein reduzieren; dabei ist die Regelation vernachlässigbar, sofern keine Rauhigkeit im kleinsten Ausmass (< 1 mm) vorhanden ist. Nimmt man die Viskosität als unabhängig vom Feuchtigkeitsgehalt an, so bestehen zusätliche Variationsprinzipien, die es gestatten, Schranken für den Zugwiderstand festzustellen. Im einzelnen bestimmen diese die Grösse der Geschwindigkeit am Untergrund in Funktion zweier wesentlicher, dimensionsloser Parameter. Es werden Gründe dafür aufgeführt, warum realistische Gleitgesetze als kontinuierliche Funktionen der Temperatur formuliert werden sollten; eine (bedeutsamere) Folge dieser Annahme wird erwähnt. Die wirkung des Feuchtigkeitsgehalts wird kurz betrachtet; schliesslich wird die Wirkung der Hohlraumbildung diskutiert, wobei eine exakte Lösung für das Fliessen des Eises im speziellen Fall einer Newton’schen Flüssigkeit und einer “geringen” Felsbettneigung herangezogen wird.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
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Fig. 1. Diagram of inner and outer flows over a rough bedrock.

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Fig. 2. Cavitational sliding law