Hostname: page-component-6766d58669-r8qmj Total loading time: 0 Render date: 2026-05-20T03:02:15.149Z Has data issue: false hasContentIssue false

The Formation of Brine Drainage Features in Young Sea Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Lars Ingolf Eide
Affiliation:
Department of Oceanography WB-10, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
Seelye Martin
Affiliation:
Department of Oceanography WB-10, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
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Abstract

Laboratory experiments on the growth of sea ice in a very thin plastic tank filled with salt water, cooled from above and insulated with thermopane, clearly show the formation and development of brine drainage channels. The sea-water freezing cell is 0.3 cm thick by 35 cm wide by 50 cm deep; the thermopane insulation permits the ice interior to be photographed. Experimentally, we observe that vertical channels with diameters of 1 to 3 mm and associated smaller feeder channels extend throughout the ice sheet. Close examination of the brine channels show that their diameter at the ice-water interface is much narrower than higher up in the ice, so that the channel has a “neck” at the interface. Further, oscillations occur in the brine channels, in that brine flows out of the channel followed by a flow of sea-water up into the channel. Theoretically, a qualitative theory based on the difference in pressure head between the brine inside the ice and the sea-water provides a consistent explanation for the formation of the channels, and the onset of a convective instability explains the existence of the neck. Finally, an analysis based on the presence of the brine-channel neck provides an explanation for the observed oscillations.

Des expériences de laboratoires ont été conduites sur la croissance de la glace de mer dans un réservoir de plastique trés fin, rempli d'eau salée, refroidi par au-dessus et isolé avec un panneau thermique. Elles ont clairement montré la formation et le développement de canaux de drainage de la saumure. La cellule de congélation de l’eau a 0,3 cm d’épaisseur, 35 cm de large et 50 cm de profondeur; le panneau isolant permet de photographier la glace à l’intérieur. Expérimentalement, nous observons des canaux verticaux avec des diamétres de 1 à 3 mm associés à des canaux d’alimentation plus petits étendus à travers la feuille de glace. Un examen attentif des canaux de saumure montre que leur diamétre à I’interface eau-glace est beaucoup plus faible que plus haut dans la glace, de sorte que le canal présentr un étranglement à l’interface. Plus tard, il se produit des oscillations dans les canaux de saumure par lesquels, à l’écoulement de la saumure par le canal, succéde un flot d’eau de mer montant dans Ie canal. Sur le plan thtorique, une hypothèse qualitative basée sur la différence de pression entre la saumure à l’interieur de la glace et l’eau de mer, donne une explication satisfaisante pour la formation de canaux, et l’apparition d'une instabilité de convection explique l’existence de l’étranglement. Finalement, une analyse basée sur la présence de l’etranglement des canaux de saumure procure une explication des oscillations observées.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Laboruntersuchungen über das Wachstum von Meereis in einem sehr dünnen, mit Salzwasser gefüllten Plastikbehülter, der von oben gekühlt und mit Thermopane isoliert war, zeigen deutlich die Bildung und Ausbreitung von Drainage-Känalen für die Salzsole. Die Gefrierzelle für das Meerwasser ist 0,3 cm breit, 35 cm lang und 50 cm tief; das Eis im Inneren kann durch die Thermopane-Isolierung hindurch photographiert werden. Im Experiment lässt sich beobachten, dass vertikale Kanäle mit Durchmessern von 1–3 mm und dazugehörige kleinere Seitenkänale sich durch die gesamte Eisschicht erstrecken. Bei näherer Betrachtung der Solekanäle ist zu erkennen, dass deren Durchmesser an der Grenzfläche zwischen Eis und Wasser viel kleiner ist als weiter oben im Eis, dass also der Kanal an der Grenzfläche einen “Flaschenhals” besitzt. Es zeigt sich weiterhin, dass in den Solekanälen Schwingungen stattfinden derart, dass einem Ausfluss von Sole aus dem Kanal ein Eindringen von Meerwasser nach oben in den Kanal folgt, Eine qualitative Theorie, die auf der Druckdifferenz zwischen der Salzsole im Eis und dem Meerwasser beruht, liefert eine folgerichtige Erklärung für die Kanalbildung; die Annahme einer konvektiven Instabilität erklärt das Vorhandensein der Verengung. Schliesslich liefert eine Analyse, die von dem Vorhandensein der Kanalverengung ausgeht, eine Erklärung für die beobachteten Schwingungen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1975
Figure 0

Fig. 1. A schematic diagram of the apparatus. For simplicity, we have not shown all of the thermopanes.

Figure 1

TABLE I. Thermal Properties Of The Materials Used In The Construction Of Our Experimental Cell

Figure 2

Fig. 2. A crossed-polaroid photograph of an ice sheet growing in our lest cell. The thickness of the ice sheet from top to bottom is about 15 cm.

Figure 3

Fig. 3. A sequence of photographs illustrating the entrainment of dye and the formation of brine channels in our test cell. The horizontal wires are 2 cm apart. The dye was injected 170 min after the ice growth began. (30) 188 mill; (3b) 258 min; (3c) 384 mill

Figure 4

Fig. 4. The rise of dye into the ice above the interface height at the time of injection plotted against time. See text for additional discussion.

Figure 5

Fig. 5. A close-up photograph of a brine drainage system, (5b) was taken roughly ten minutes after (5a). The lack of clarity of the tip in (5b) is caused by crystals being between the camera and the channel.

Figure 6

Fig. 6. The co-ordinate system used in the discussion of brine channel formation. H1(t) is the depth to which the ice sheet floats, and H2(t) is the height of brine in a brine drainage channel.

Figure 7

Fig. 7. A comparison of the drainage systems for (a) temperate glaciers and (b) young sea ice. See text for additional discussion.

Figure 8

Fig. 8. The sequence of sketches (a–c) shows how the tip of a brine channel adjusts to a decrease in flow rate. In the sketches, the dark brine flows out of the ice into sea-water.

Figure 9

Fig. 9. The oscillations in a brine-filled syringe. (a) Downward flow. (b) Upward flow. (Adapted from Martin (1970), figure I).

Figure 10

Fig. 10. The positions of hydrostatic balance in the syringe, (a) Needle filled with salt water. (b) Needle filled with fresh water (adapted from Martin (1970), figure 3).