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The Difficulties of Measuring the Water Saturation and Porosity of Snow

Published online by Cambridge University Press:  21 June 2017

S. C. Colbeck*
Affiliation:
(U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.)
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Abstract

Liquid saturation and porosity control most of the important material properties of wet snow, hence accurate measurements of these two parameters is of the utmost importance for both field research and glaciological applications. For example, the movement of liquid water through snow is highly sensitive to the volume of water present and accurate measurements of the water saturation are necessary in order to infer the temporal and spatial variations in the flow field. Nevertheless, most of the instruments in use are not capable of making accurate determinations of saturation.

An error analysis shows that only direct measurements of the liquid volume can provide accurate values of water saturation, hence the melting calorimeter is inherently inaccurate. While centrifuges extract some of the liquid for direct measurement, there is always some residual liquid left depending on the grain size and structural parameters of the ice matrix. Therefore, some uncertainty exists over the interpretation of the data obtained from centrifuges. High-frequency capacitance probes can be used either in situ or on the surface and are very sensitive to the volume of liquid present. Capacitance probes are by far the best of the available devices. Remote-sensing techniques, like the active microwave system, require more development for use in operational forecasting schemes and as research tools.

Résumé

Résumé

Les difficultés de la mesure de la teneur en eau et de la porosité de la neige. La teneur en liquide et la porosité commandent la plupart des principales propriétés physiques de la neige mouillée; il en résulte que des mesures précises de ces deux paramètres sont de la plus haute importance pour la recherche sur le terrain comme pour les applications glaciologiques. Par exemple, le mouvement de l'eau liquide à travers la neige est extrêmement sensible au volume d'eau présent et des mesures précises de la teneur en eau sont nécessaires pour en déduire les variations dans le temps et dans l'espace du flux d'eau. Cependant, la plupart des appareils de mesure utilisés ne sont pas capables de donner des mesures précises de la teneur en eau.

Une discussion des erreurs montre que seules des mesures directes de volume liquide peuvent donner des valeurs précises de la teneur en eau, puisque le calorimètre de fusion est congénitalement imprécis. Lorsqu'on extrait l'eau liquide par centrifugation pour une mesure directe, il reste toujours une certaine quantité de liquide dans la neige variable selon la dimension des grains et les paramètres structurels de la matrice de glace. Par conséquent, il y a toujours une certaine incertitude sur l'interprétation des résultats obtenus par centrifugation. Les sondes à capacité à haute fréquence peuvent être utilisées soit in situ ou en surface et sont très sensibles au volume d'eau liquide présent. Les sondes à capacité sont, de loin, les meilleures parmi les appareils disponibles. Les techniques de télédétection, comme les systèmes à micro-ondes actives, demandent à être perfectionnées avant d'être utilisables en prévision opérationnelle et comme outils de recherche.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Schwierigkeiten bei der Messung der Wassersättigung und der Schneeporosität. Flüssigkeitsgehalt und Porosität sind ausschlaggebend für die meisten wichtigen Materialeigenschaften nassen Schnees; genaue Messungen dieser beiden Parameter sind daher äusserst wichtig für die glaziologische Forschung wie für deren Anwendung. So ist zum Beispiel die Bewegung flüssigen Wassers durch Schnee stark abhängig vom vorhandenen Wasservolumen und genaue Messungen der Wassersättigung sind notwendig, um auf die zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Fliessfeldes schliessen zu können. Trotzdem lassen sich mit den meisten gebräuchlichen Instrumenten keine genauen Bestimmungen des Sättigungsgrades vornehmen.

Eine Fehleranalyse zeigt, dass nur direkte Messungen des Flüssigkeitsvolumens genaue Werte der Wassersättigung liefern; das Schmelz-Kalorimeter ist deshalb von Hause aus ungenau. Wenn Zentrifugen auch einen Teil der Flüssigkeit zur direkten Messung verfügbar machen, so bleibt doch stets je nach Korngrösse und Struktur des Eisgefüges ein gewisser Rest zurück. Deshalb herrscht bei der Interpretation von Zentrifugendaten eine gewisse Unsicherheit. Hochfrequente Kapizitanzsonden können entweder in situ oder an der Oberfläche verwendet werden; sie besitzen hohe Empfindlichkeit für vorhandene Wassermengen. Kapazitanzsonden sind bei weitem die besten verfügbaren Geräte. Fernerkundungsverfahren, etwa mit aktiven Mikrowellensystemen, bedürfen noch der Fortentwicklung zur Nutzung für operationelle Vorhersagen und als Forschungsmittel.

Information

Type
Instruments and Methods
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Table I. Typical calculation errors when E(Swi) = E(vs) = E(ms) = 0

Figure 1

Fig. 1 The ratios of error in calculating Sw to the error in measuring vi and vw are shown for methods (ii) and (iii) respectively (assuming E(ms) = E(vs) = 0, vs = 10−3 m3 and vi = 0.5 × 10−3 m3). For method (ii) the ratio is very large for all values of Sw and approaches negative infinity as Sw vanishes. For method (iii), however, the ratio reaches an upper limit of unity as Sw vanishes and is rather insensitive to the value of Sw over the common range of saturations.

Figure 2

Fig. 2 The residual water saturation left behind after centrifuging decreases with increasing particle size. Much uncertainly is connected with the use of centrifuges because of this residual water.