Hostname: page-component-6766d58669-bkrcr Total loading time: 0 Render date: 2026-05-17T06:27:29.246Z Has data issue: false hasContentIssue false

The Thermal Properties of Sea Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Peter Schwerdtfeger*
Affiliation:
Meteorology Department, University of Melbourne, Australia
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Compared with freshwater ice, whose physical properties are well known, sea iceis a relatively complex substance whose transition to a completely solid mixtureof pure ice and solid salts is completed only at extremely low temperaturesrarely encountered in nature. The physical properties of sea ice are thusstrongly dependent on salinity, temperature and time. Many of these propertiesare still not fully understood or accurately known, particularly those importantfor the understanding of a natural ice cover. The specific heat for example isan important term in the calculation of the heat energy content of a cover.However, Malmgren (1927), whose calculatedvalues of the specific heat of sea ice are in general use, neglected the directcontribution of the brine present in inclusions. Re-examination of thequestion of specific and latent heats of sea ice has led to distinguishingbetween the freezing and melting points and enabled significant observations inthis range. Similarly, because the thermal conductivity is a necessary parameterin the description of the thermal behaviour of ice. the sea-ice modelsuggested by Anderson (1958) has beenmodified and extended in the present work to the case of saline ice containingair bubbles. This enabled the completion of calculations of density andconductivity. In order to illustrate the theoretically calculated values.measurements were made on sea-ice samples to determine the specific heat,density and thermal conductivity.

Résumé

Résumé

Par comparaison avec la glace d’eau douce. dont lespropriétés physiques sont bien connues, la glace de mer est unesubstance relativement complexe dont le passage à un mélangeentièrement solide de glace pure et de sels n’estréalisé qu’à des températuresextrêmement basses que l’on rencontre rarement dans la nature.

Les propriétés physiques de la glace de mer dépendentfortement de la salinité, de la température et du temps. Denombreuses propriétés ne sont pas encore pleinement comprises ouconnues avec précision, en particulier celles qui sont importantes pourla compréhension d’une couverture de glace naturelle. Par exemplela chaleur spécifique est un terme important dans le calcul du contenu dechaleur d’une telle couverture. Cependant, Malmgren (1927), dont on utilise généralement lesvaleurs calculées pour la chaleur spécifique de la glace de mer, anégligé la contribution directe de la saumure présente dansles inclusions. Un nouvel examen du problème des chaleursspécifiques et latentes de la glace de mer a conduit à faire ladistinction entre les points de congelation et de fusion et permis desobservations significatives dans ce domaine. Parallèlement, puisque laconductivité thermique est un paramètre nécessaire àla description du comportement thermique dc la glace, le modèle de glacede mer suggéré par Anderson(1958) a été modifié et étendu dans leprésent travail au cas de la glace salée contenant des bullesd’air. Ceci a permis de completer les calculs de densité et deconductivité. De façon à illustrer les valeursthéoriques calculées, des mesures ont été faites surdes échantillons dc glace de mer pour déterminer la chaleurspécifique, la densité et la conductivité thermique.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Verglichen mit Süsswassereis, dessert physikalische Eigenschaften gutbekannt sind, ist Meereis eine verhältnismässig komplizierteSubstanz, die erst bei schr tiefen, in der Natur selten verwirklichtenTemperaturen vollständig zu einer Eis-Salzmischung erstarrt. Diephysikalischen Eigenschaften des Meereises sind daher stark von Salzgehalt,Temperatur und Zeit abhängig. Viele dieser Eigenschaften. insbesonderedie für das Verständnis einer natürlichen Eisdeckewichtigen, sind noch nicht völlig geklärt oder bekannt. Z.B. diespezifische Wärme ist eine wichtige Grösse in der Berechnung desWärmeinhaltes einer Eisdecke. Malmgren’s (1927) allgemein verwandte Werte der spezifischenWärme vernachlässigen den Beitrag des vom Eise eingeschlossenenSalzwassers. Eine nähere Untersuchung der spezifischen und latentenWärme des Meereises hat zu einer Unterscheidung zwischen Gefrierpunkt undSchmelzpunkt geführt und bedeutsame Beobachtungen in demÜbergangsgebiet zwischen diesen Temperaturen ermöglicht.Ähnliches gilt für die Wärmeleitfähigkeit, diefür die Beschreibung des thermischen Verhaltens des Meereisesunerlässlichist. Das von Anderson(1958) vorgeschlagene Modell für Meereis ist modifiziert undauf den Fall des salzhaltigen Eises mit Luftbläschen erweitert worden.Dadurch wurden Berechnungen von Dichte und Wärmeleitung möglich.Die auf diese Weise erhaltenen theoretischen Werte wurden durch Messungen derspezifischen Wärme, der Dichte und der Wärmeleitfähigkeitan Meereis kontrolliert und bestätigt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1963 
Figure 0

Fig. 1. Freezing point of brine as a function of the ratio of dissolved salts to pure water

Figure 1

Table I The Specific Heat of Sea Ice Between −2° C. and −23° C.

Figure 2

Fig. 2. Specific heat of sea ice as a function of temperature. Curves are for the salinities indicated

Figure 3

Table II Latent Heat of Sea Ice

Figure 4

Table III Heat Required for the Complete Melting of Isolated Sea Ice

Figure 5

Table IV Experimental and Theoretical Values for the Heat Content of Sea Ice

Figure 6

Fig. 3. Air bubble content as a function of temperature for sea ice of different salinities and densities

Figure 7

Fig. 4. Plots of density and of salinity as a function of depth. Curves from left to right are for density on 22 February, density on 3 April, salinity on 3 April, salinity on 22 February. The crystal structure of the core on 22 February is shown on the extreme right to the same scale. The horizontal bars indicate the range of the experimental values

Figure 8

Fig. 5. Density (solid line) and thermal conductivity of bubbly freshwater ice

Figure 9

Table V The Thermal Conductivity of Bubbly Ice

Figure 10

Fig. 6. A model for sea ice

Figure 11

Fig. 7. Thermal conductivity of sea ice as a function of temperature. Curves drawn for various salinities and densities; salinity indicated by line thickness; density indicated by line pattern

Figure 12

Table VI Specific Heat cs Thermal Conductivity ks and Thermal Diffusivity ks of Sea Ice for Various Salinities, Temperatures and Densities