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The Effects of Ice Thickness on the Exchange of Solar Radiation Over the Polar Oceans*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Thomas C. Grenfell*
Affiliation:
Department of Atmospheric Sciences, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
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Abstract

Total transmission, absorption, and reflection of solar radiation have been determined for bare blue and white ice between 0.02 and 0.8 m in thickness as well as for blue ice covered with 0.01 to 0.4 m of dry packed snow. The calculations were performed at 45 wavelengths between 400 nm and 2150 nm using a two-stream model to account for the finite thickness of the ice and snow layers. Total radiative energies were found by numerical integration over wavelength. The results were compared with corresponding calculations for optically thick ice of the same types. Albedos increase from about 0.05 for open water to a maximum of 0.9 for thick snow. For 0.8 m blue and white ice, predicted albedos on cloudy days are 0.28 and 0.67 respectively. Under clear skies these albedos decrease by 10 to 30%. Total transmission through thin ice (less than 0.8 m) is from 50% to 300% greater than is predicted by Beer’s law depending on ice type and cloud cover. Radiative energy absorption at the surface is independent of thickness, but significant departures from Beer’s law of as much as 200% are evident in all cases below a depth of 2.5 mm. A parameterization scheme is presented for incorporating these results into heat- and mass- balance studies.

Résumé

Résumé

On a déterminé le bilan de la transmission, de l’absorption et de la réflexion du rayonnement solaire pour de la glace nue, bleue et blanche entre 0,02 et 0,8 m d’épaisseur ainsi que pour la glace bleue recouverte de 0,01 à 0,4 m de neige sèche tassée. Les calculs ont été conduits pour 45 longueurs d’onde entre 400 nm et 2150 nm en utilisant un modèle à deux flux pour tenir compte de l’épaisseur finie des couches de glace et de neige. Les énergies totales de radiation ont été trouvées par interpolation numérique entre les longueurs d’onde. Les résultats ont été comparés avec les calculs correspondants pour de la glace optiquement épaisse des mêmes types. Les albédos augmentent depuis environ 0,05 pour de l’eau libre jusqu’à un maximum de 0,9 pour de la neige épaisse. Pour 0,8 m de glace bleue et blanche, les albédos prévus par temps couvert sont respectivement de 0,28 et 0,67. Sous ciel clair, ces albédos diminuent de 10 à 30%. La transmission totale à travers une glace mince (moins de 0,8 m) est de 50% à 300% supérieure à celle prévue par la loi de Beer selon le type de glace et la nébulosité. L’absorption d’énergie rayonnée à la surface est indépendante de l’épaisseur, mais un écart significatif par rapport à la loi de Beer allant jusqu’à 200% est mis en évidence dans tous les cas en dessous d’une profondeur de 2,5 mm. Un schéma de paramétrisation est présenté qui permet d’incorporer ces résultats dans les études de bilans de masse et de bilans thermiques.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Sowohl für blankes, weisses und blaues Eis mit Dicken zwischen 0,02 und 0,8 m wie für blaues Eis mit einer 0,01 bis 0,4 m dicken Decke von trockenem, festem Schnee wurde die gesamte Durchlässigkeit, Absorption und Reflexion der Sonnenstrahlung bestimmt. Die Berechnungen bezogen sieh auf 45 Wellenlängen zwischen 400nm und 2150 nm und benutzten ein Zwei-Strom-Modell, um die begrenzte Dicke der Eis- und Schneeschichten berücksichtigen zu können. Die Ergebnisse wurden mit entsprechenden Berechnungen für optisch dickes Eis desselben Typs verglichen. Die Albedowerte wachsen von etwa 0,05 für offenes Wasser bis zu einem Maximum von 0,9 für tiefen Schnee. Die berechneten Albedowerte für 0,8 m dickes blaues und weisses Eis betragen an wolkigen Tagen 0,28 bzw. 0,67. Unter klarem Himmel nehmen diese Werte um 10 bis 30% ab. Die Gesamtdurchlässigkeit dünnen Eises (weniger als 0,8 m) ist um 50 bis 300% grösser als nach dem Gesetz von Beer, je nach Eistyp und Wolkendecke. Die Absorption der Strahlungsenergie an der Oberfläche ist unabhängig von der Dicke, aber beträchtliche Abweichungen vom Beer’schen Gesetz, die 200% erreichen können, treten in allen Fällen unter einer Tiefe von 2,5 mm auf. Es wird ein Schema zur Parametrisierung entworfen, das die Aufnahme dieser Ergebnisse in Untersuchungen zum Wärme- und Massenhaushalt erlaubt.

Information

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

Fig. 1. Schematic illustration of the radiative transfer model.

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Fig. 2. Spectral extinction coefficients for (a) snow, (b) white ice, surface scattering layer, (c) white ice, interior, (d) blue ice, and (e) water. The hatched area between (b) and (c) represents the transition zone of white ice. Extrapolated rallies are indicated by the dashed curve segments.

Figure 2

Fig. 3. Spectral albedos for blue ice, white ice, and snow. Extrapolated values are indicated by the dashed curve segments.

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Fig. 4. Solar spectrum for clear and cloudy skies from 400 nm to 2150 nm.

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Fig. 5. Total albedo versus ice thickness for blue ice, white ice, and snow under (a) cloudy and (b) clear skies.

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Fig. 6. Net spectral irradiance at 650 nm versus depth for blue ice as a function of ice thickness. The insert shows up- and down-welling components together with resulting Fnet(h) for 0.8 m blue ice.

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Fig. 7. Integrated net irradiance versus depth for blue ice as a function of ice thickness under clear and cloudy conditions. The circles indicate Fnet(0) and the diamonds show the location of the ice–water boundary.

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Fig. 8. Divergence of the net irradiance (△ · Fnet) versus depth in thick (10 m) blue and white ice. Cloudy conditions.

Figure 8

Fig. 9. Energy absorption relative to Beer’ law [△ · Fnet)hi/(△ · Fnet)BL] versus depth as a function of ice thickness for blue ice (top) and white ice (bottom). Cloudy conditions.

Figure 9

Table I. Albedo Parameterization α = 1−A exp (−Bh)−C exp (−Dh)

Figure 10

Table II. i0i0 = 1−A exp (−Bh)−C exp (−Dh)