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Local Friction Laws for Glaciers: A Critical Review and New Openings

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

L. Lliboutry*
Affiliation:
Laboratoire de Glaciologie du CNRS, 2 rue Très-Cloîtres, 38031 Grenoble Cedex, France
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Abstract

“Sliding velocity” and “friction law” are precisely defined. Different scales for tackling glacier dynamics are introduced. The energy balance in the melting-refreezing process is clarified. The validity of a Glen body as a model for ice rheology is discussed. The assumed model for subglacial water is a very slightly pervious ice, and a not absolutely watertight ice-bedrock interface, owing to glacial striae and rock joints. Then autonomous hydraulic regimes and cavities at water vapour pressure have a negligible influence on the drag, and only the interconnected regime has to be considered.

A more rigorous treatment of Weertman’s model (independent knobs) gives quite different numerical factors. In general a term increasing with Terzaghi’s effective pressure N has to be added to the drag. The double-valued friction law found by Weertman is shown to have been an error.

Kamb’s relations for the model with a vanishing microrelief are considerably simplified. His conjectural solution cannot be extended to slopes actually found in the microrelief.

The author’s (Lliboutry, 1968) treatment is unsatisfactory and includes an error. With a model consisting of irregular bumps of similar length, a new friction law is given. The pertinent measure of the bedrock roughness is then the shadowing function, not the spectral power density.

Résumé

Résumé

On définit avec précision “vitesse de glissement” et “loi de frottement”. On introduit différentes échelles pour aborder la dynamique d’un glacier. Le bilan d’énergie dans le glissement par fonte et regel est éclairci. On discute la validité du corps de Glen comme modèle pour la loi de comportement de la glace. On admet comme modèle pour l’eau sous-glaciaire une glace très légèrement perméable, et une interface glace-lit rocheux non absolument étanche par suite des stries glaciaires et des joints dans la roche. Alors les régimes hydrauliques autonomes et les cavités à la pression de la vapeur d’eau ont une influence négligeable sur le frottement, et seul le régime interconnecté est à considérer.

Un traitement plus rigoureux du modèle de Weertman (bosses indépendantes) donne des facteurs numériques complètement différents. En général un terme croissant avec la pression effective N doit être ajouté à la trainée. Les deux déterminations trouvées par Weertman pour la loi de frottement résultaient d’une erreur.

Les relations de Kamb pour un modèle à microrelief extrêmement faible sont considérablement simplifiées. Sa solution conjecturale ne peut être étendue aux pentes qu’on trouve dans les microreliefs réels.

Notre traitement (Lliboutry, 1968) n’est pas satisfaisant et renferme une erreur. En prenant pour modèle des bosses irrégulières de longueurs voisines on donne une nouvelle loi de frottement. La mesure de la rugosité du lit rocheux pertinente au problème est alors la fonction d’éclairement, et non pas la densité spectrale de puissance.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

“Gleitgeschwindigkeit” und “Reibungsgesetz” werden streng definiert. Zur Untersuchung der Gletscherdynamik werden verschiedene Massstäbe eingeführt. Die Energiebilanz beim Vorgang des Schmelzens und Wiedergefrierens erfährt eine Klärung und die Gültigkeit des Glen’sschen Körpers als ein Modell für die Rheologie des Eises wird diskutiert. Das angenommene Modell für subglaziales Wasser ist ein sehr schwach durchlässiges Eis und eine nicht völlig wasserdichte Grenzfläche zwischen Eis und Felsbett infolge glazialer Riefen und Felsfugen. Ferner haben autonome hydraulische Systeme und Hohlräume mit Wasserdampfdruck einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Gleitwiderstand und nur das Verbundsystem muss berücksichtigt werden.

Eine strengere Behandlung des Weertman’schen Modells (unabhängige Buckel) liefert sehr unterschiedliche numerische Parameter. Allgemein muss ein Glied, das mit Terzaghis effektivem Druck N anwächst, zum Gleitwiderstand hinzugefügt werden. Das zweiwertige Reibungsgesetz von Weertman war ein Irrtum.

Kambs Beziehungen für ein Modell mit verschwindendem Mikrorelief sind erheblich vereinfacht. Seine vermuteten Lösungen können nicht auf Hangneigungen ausgedehnt werden, wie sie im Mikrorelief tatsächlich vorkommen.

Des Autors Behandlung (Lliboutry, 1968) ist unbefriedigend und enthält einen Fehler. Ein neues Reibungsgesetz für unregelmässige Buckel von ähnlicher Länge wird aufgestellt. Das entsprechende Mass für die Felsbettrauhigkeit ist dann die Fensterfunktion und nicht das Leistungsspektrum.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1. Flow lines in the regelation ice and in the water film of micrometric thickness. In the melting—refreezing process of sliding, the heat balance of the periodic changes of state, of the cooling of the ice and the warming of the water, amounts to 10% of the Newtonian energy which is lost. The main part is lost by viscous dissipation in the water film.

Figure 1

Fig. 2. Stream lines and velocities in the equatorial plane, when a Glen material flows around a sphere without friction and without cavitation. Dotted lines: n = 1 (Newtonian viscosity). Full lines: n = 3. Values of q are in terms of R2U (R – radius of the sphere, U – velocity at infinity). Note the “extrusion flow” when n = 3.

Figure 2

Fig. 3. Underpressure on the sphere and on a meridian plane, taking as unit. Only one quarter of the sphere is represented. The velocity at infinity is parallel to the horizontal axis of the figure.

Figure 3

Fig. 4. Sketch of the isothermal surfaces and heat stream lines: (a) around a sphere; (b) around a hemispherical knob.

Figure 4

Table I. Numerical values of the parameters(1 bar – 105 Pa; 1 year = 3.1557 × 107s)

Figure 5

Fig. 5. Friction τb(U, N) on a plane with independent hemispherical knobs. Non-dimensional model up to RM = 10 m. Numerical values of Table I have been assumed. Weertman’s law holds in the upper left corner, for large values of N. When N = 0, for a given velocity the drag τb is halved, and for a given drag the sliding velocity U is multiplied by four.

Figure 6

Fig. 6. Definition ofthe shadowing function. s(t) = (area of the shadow)/(total area).

Figure 7

Table II. Functions relative to a pure sine profile

Figure 8

Fig. 7. Friction function F(T) forn periodic bumps. m is the mean quadratic slope, λ the wavelength (in metres), U the sliding velocity (in m/year), N = p–p (in bars), τb the friction (in bars). The figures along the curves are the values of s(T).

Figure 9

Fig. 8. Values of S /T. The contribution to the total drag of small undulations which are surperimposed on the cavitating bumps is proportional to