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Stress-gradient Coupling in Glacier Flow: IV. Effects of the “T” Term*

Published online by Cambridge University Press:  12 May 2017

Barclay Kamb
Affiliation:
Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, U.S.A
Keith A. Echelmeyer
Affiliation:
Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, U.S.A
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Abstract

The “T term” in the longitudinal stress-equilibrium equation for glacier mechanics, a double y-integral of ∂2 τ xy /∂x 2 where x is a longitudinal coordinate and y is roughly normal to the ice surface, can be evaluated within the framework of longitudinal flow-coupling theory by linking the local shear stress τ xy at any depth to the local shear stress τ B at the base, which is determined by the theory. This approach leads to a modified longitudinal flow-coupling equation, in which the modifications deriving from the T term are as follows: 1. The longitudinal coupling length is increased by about 5%. 2. The asymmetry parameter σ is altered by a variable but small amount depending on longitudinal gradients in ice thickness h and surface slope α. 3. There is a significant direct modification of the influence of local h and α on flow, which represents a distinct “driving force” in glacier mechanics, whose origin is in pressure gradients linked to stress gradients of the type ∂τ xy /x. For longitudinal variations in h, the “T force” varies as d2 h/dx 2 and results in an in-phase enhancement of the flow response to the variations in h, describable (for sinusoidal variations) by a wavelength-dependent enhancement factor. For longitudinal variations in α, the “force” varies as dα/dx and gives a phase-shifted flow response. Although the “T force” is not negligible, its actual effect on τ B and on ice flow proves to be small, because it is attenuated by longitudinal stress coupling. The greatest effect is at shortest wavelengths (λ 2.5h), where the flow response to variations in h does not tend to zero as it would otherwise do because of longitudinal coupling, but instead, because of the effect of the “T force”, tends to a response about 4% of what would occur in the absence of longitudinal coupling. If an effect of this small size can be considered negligible, then the influence of the T term can be disregarded. It is then unnecessary to distinguish in glacier mechanics between two length scales for longitudinal averaging of τ b, one over which the T term is negligible and one over which it is not.

Longitudinal flow-coupling theory also provides a basis for evaluating the additional datum-state effects of the T term on the flow perturbations Δu that result from perturbations Δh and Δα from a datum state with longitudinal stress gradients. Although there are many small effects at the ~1% level, none of them seems to stand out significantly, and at the 10% level all can be neglected.

The foregoing conclusions apply for long wavelengths λh. For short wavelengths (λ h), effects of the T term become important in longitudinal coupling, as will be shown in a later paper in this series.

Résumé

Résumé

Dans l’équation qui, en mécanique des glaciers, décrit l’équilibre des contraintes dans le sens longitudinal (intégrale double de ∂2τxy /∂x 2x est la coordonnée dans le sens longitudinal, et y est approximativement selon la normale à la surface de la glace) le terme T peut être évalué, dans le cadre de la théorie du couplage longitudinal des écoulements en reliant la contrainte de cisaillement locale τ xy à une profondeur donnée, à la cission à la base τ B, déterminée par la théorie. Cete approche conduit à une équation du couplage longitudinal modifiée. Les modifications provenant du terme T sont les suivantes: (1) la longueur de couplage longitudinal est accrue de 5% environ; (2) le paramètre d’asymétrie σ subit un faible changement qui dépend des gradients longitudinaux de l’épaisseur de glace h et de la pente de surface α; (3) il y a une modification significative de l’influence des valeurs locales de h et α sur l’écoulement qui représente une force motrice distincte dans la mécanique du glacier due aux gradients de pression liés aux gradients de contraintes en ∂τxy /∂x. Concernant les variations longitudinales de h, la “force T ” varie comme d2 h/dx 2 et produit une amplification en phase de la réponse de l’écoulement aux variations d’épaisseur: dans le cas de variations sinusoidales cette amplification peut être décrite par un gain fonction de la longueur d’onde. Quant aux variations longitudinales de α, la “force T” varie comme dα/dx et conclut d’un déphasage des variations de l’écoulement. Bien que la “force T” ne soit pas négligeable, son effet réel sur τB et sur l’écoulement demeure faible, car celui-ci est atténué par le couplage des contraintes longitudinales. L’effet le plus important a lieu pour les longueurs d’onde les plus courtes (λ 2,5h): la réponse de l’écoulement aux variations de h ne tend pas vers zéro (ce qui serait la conséquence du couplage longitudinal) mais, conséquence de la “force T”, représente environ 4% de la réponse qui aurait lieu en l’absence de tout couplage longitudinal. Si l’effet de ces faibles longueurs d’ondes peut être négligé, alors l’influence du terme T peut être omise. Dans ce cas, en vue du calcul du frottement moyen dans le sens longitudinal, il est inutile de distinguer entre une échelle à laquelle le terme T est négligeable, et une à laquelle il ne l’est pas.

La théorie du couplage longitudinal de l’écoulement fournit une base pour l’évaluation des effets additionnels du terme T sur la perturbation de l’écoulement Δu causée par des perturbations Δh et Δα à partir d’un état de référence comportant des gradients de contrainte longitudinaux. Bien qu’il y ait de nombreux effets de l’ordre du 1%, aucun ne semble émerger de façon significative, et tous peuvent être négligés à un niveau de précision de l’ordre de 10%.

Les conclusions ci-dessus sont valables aux longueurs d’onde λ h. Pour les très courtes longueurs d’onde (λ h), les effets du terme T deviennent importants en couplage longitudinal, ceci sera exposé dans un futur article du journal.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Der “T-Term” in der Gleichung des longitudalinen Spannungsgleichgewichts für die Gletschermechanik ‒ ein y-Doppelintegral von 2τxy /∂x 2 , worin x eine Koordinate in Längsrichtung und y eine der x-Achse senknechte, ungefähr anfwärts gerichtete Koordinate ist ‒ kann in Rahmen der Theorie der longitudinalen Fluss-Kopplung durch Verbindung der lokalen Scherspannung τxy in jeder Tiefe mit der lokalen Scherspannung τB am Untergrund, die aus der Theorie hervorgeht, ausgewertet werden. Dieses Vorgehen führt zu einer modifizierten Gleichung der longitudinalen Fluss-Kopplung, in der die durch den T-Term verursachten Änderungen die folgenden sind: 1. Die longitudinale Kopplungslänge wird etwa 5% grösser. 2. Der Asymmetrie-Parameter σ wird durch einen variablen, aber kleinen Betrag verändert, der von den Längsgradienten der Eisdicke h und der Oberflächenneigung α abhängt. 3. Es besteht eine wesentliche direkte Änderung des Einflusses der lokalen Grössen h und α auf den Fluss, die eine deutliche “Triebkraft” in der Gletschermechanik darstellt; sie stammt von Druckgradienten in Verbindung mit Spannungsgradienten des Typs ∂ τ xy /∂x. Für longitudinale Schwankungen in h ändert sich die “T-Kraft” mit d2 h/dx 2 und liefert eine phasengleiche Verstärkung der Flussreaktionen auf die Schwankungen von h, beschreibbar (bei sinusförmigen Schwankungen) durch einen von der Wellenlänge abhängigen Verstärkungsfaktor. Für longitudinale Schwankungen in α ändert sich die Kraft mit dα/dx und ergibt eine phasenversetzte Flussreaktion. Obwohl die “T-Kraft” nicht vernachlässigbar ist, erweist sich ihr tatsächlicher Einfluss auf τB und den Eisfluss als gering, weil sie durch longitudinale Spannungskopplung abgeschwächt wird. Die grösste Wirkung tritt bei den kürzesten Wellenlängen (λ 2,5h) ein, wo die Flussreaktion auf Schwankungen in h nicht gegen Null geht, wie sie es sonst infolge longitudinaler Kopplung tun würde, sondern statt dessen ‒ infolge der Wirkung der “T-Kraft” ‒ gegen eine Reaktion tendiert, die etwa 4% von dem beträgt, was bei Fehlen der longitudinalen Kopplung auftreten würde. Wenn eine Wirkung solch geringen Ausmasses vernachlässigbar ist, kann auch der Einfluss des T-Terms ausser Betracht bleiben. Es erübrigt sich dann, in der Gletschermechanik zwischen zwei Längsskalen für die Mittelung von τB in Längsrichtung zu unterscheiden, für die der T-Term jeweils vernachlässigbar ist oder nicht.

Die Theorie der longitudinalen Flusskopplung liefert auch eine Grundlage für die Auswirkungen der zusätzlichen Zustandsauswirkungen des T-Terms auf die Flussstörungen Δu, die von Störungen Δh und Δα gegenüber einem Ausgangszustand mit longitudinalen Spannungsgradienten herrühren. Obwohl es hier viele kleine Wirkungen auf dem ̴1%-Niveau gibt, scheint keine davon signifikant auszuschlagen; auf dem 10%-Niveau können sie alle vernachlässigt werden.

Die vorstehenden Schlussfolgerungen gelten für grosse Wellenlängen λ h. Für kurze Wellenlängen (λ h) haben die Wirkungen des T-Terms hingegen Bedeutung für die Kopplung in Längsrichtung, wie in einem weiteren Beitrag dieser Serie gezeigt werden wird.

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Type
Research Article
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