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Some Effects of Multiple Scattering on the Distribution of Solar Radiation in Snow and Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Bruce R. Barkstrom*
Affiliation:
Dearborn Observatory, Northwestern University, Evanston, Illinois 60201, U.S.A.
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Abstract

Multiple scattering of the solar flux in snow and “bubbly” ice can account for the variable albedo, the non-specular reflection, the non-exponential flux decrease near the surface, and the large upward flux within the medium. The scattering problem has been formulated and solved exactly, assuming isotropic scattering in a plane-parallel, semi-infinite, grey medium. The solution shows a non-exponential flux decrease near the surface and an exponential decrease deep in the medium. For such a medium, the albedo will increase with decreasing solar altitude in a manner which agrees to within one per cent of observed snow albedos in the Antarctic.

Résumé

Résumé

Les dispersions multiples du flux solaire dans la neige et la glace bulleuse peuvent expliquer la variabilité de l’albedo, la réflexion d’un type non spéculaire, une décroissance non exponentielle du flux près de la surface et un important flux ascendant à l’intérieur du milieu. Le problème de la dispersion a été formulé et résolu exactement., en émettant l’hypothèse d’une dispersion isotrope dans un milieu gris semi-infini entre des plans parallèles. La solution montre une décroissance non exponentielle du flux près de la surface et une décroissance exponentielle dans la profondeur du milieu. Pour un tel milieu, l’albedo augmentera quand diminue la hauteur du soleil d’une manière qui concorde à un pour cent près avec les albedos observés pour la neige dans l’Antarctique.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Vielfachstreuung (multiple scattering) der Sonnenstrahlung in Schnee und blasenhaltigem Eis kann die Ursache für die Albedounterschiede, die nicht-totale Reflexion, die nicht-exponentiellc Strahlungsabnahme nahe der Oberfläche und die starke Gegenstrahlung innerhalb des Mediums sein. Das Problem der Streuung wurde, unter Annahme isotroper Streuung in einem planparallelen, semi-infiniten, grauen Medium formuliert und exakt gelöst. Die Lösung liefert eine nicht-exponentielle Strahlungsabnahme nahe der Oberfläche und eine exponentielle Abnahme in grösserer Tiefe des Mediums. Für ein solches Medium ergibt sich mit abnehmender Sonnenhöhe eine Albedozunahme, die innerhalb von 1% mit den in der Antarktis beobachteten Schneealbedowerten übereinstimmt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1972
Figure 0

Table I. Asymptotic Ratio of Upward to Downward Flux as a Function of Single Scattering Albedo

Figure 1

Table II. Albedo as a Function of the Angle of Incidence and the Single Scattering Albedo

Figure 2

Fig. 1. Plot of the clear-sky albedo (a) versus the sine of the solar altitude (μ0). Data are from Antarctic expeditions: and Liljequist and Rusin (1961). Upper data (Δ)—average clear-sky albedo for November 1951. Middle data (□)— average clear-sky albedo for December 1951/January 1952. Theoretical curves were computed from Equation (35) using the X-function for ϖ = 0.990, and values of ν0 corresponding to ϖ = 0.990 (–––––––––), 0.998 (–––– – – ), and 0.983 (– – – – –).

Figure 3

Fig. 2. Plot of the flux divergence ( − d{Φ/Φ0}/) versus the optical depth (τ) for various solar altitudes. The theoretical values of the flux divergence were computed using ϖ = 0.990. τ = 2.0 corresponds to about 1.7 cm for Liljequist’s (1956) data. This plot is also proportional to the melting rate under some conditions (see Equation (42)).