Hostname: page-component-6766d58669-88psn Total loading time: 0 Render date: 2026-05-18T10:51:46.972Z Has data issue: false hasContentIssue false

Thermal Stresses near the Surface of a Glacier

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

T. J. O. Sanderson*
Affiliation:
British Antarctic Survey, Madingley Road, Cambridge CB3 oET, England
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Abstract

Stresses occur in the uppermost 10 m of a glacier as a result of temperature fluctuations at the surface. A model is set up of a typical year's surface temperature variation, and the progress of temperature waves through the glacier is calculated using Fourier theory of heat conduction. Short-period fluctuations are rapidly attenuated, and at 10 m depth the annual cycle is reduced to 5% of its surface amplitude. As the temperature of the ice varies it undergoes small volume changes; stresses are calculated on the assumption that any tendency of the ice to expand or contract laterally results in the creation of just enough stress to cause the ice to remain unstrained. It is found that in the top 2 or 3 m stresses of thermal origin are generally in excess of those due to gross deformation or overburden pressure. For the case of high-density ice Glen's flow law is used, and conditions are found to be favourable for the formation of surface rumples of wavelength about 10 m. For the case of firm or snow a Newtonian flow law is assumed, and it is found that under cold conditions fracture under tension can occur. Cracks of thermal origin may be responsible for the initial formation of crevasses, and they also provide an explanation for background noise encountered when seismic shooting at low temperatures. Calculations are made of the strain-rate field surrounding a crack and it is found that thermal effects can lead to appreciable Strain-rate anomalies for strain-rate measurements near cracks. The magnitude of the effect is easily sufficient to account for anomalous fluctuating strain-rates found by workers using wire strainmeters on the Barnes Ice Cap.

Résumé

Résumé

Les fluctuations thermiques dans les 10 m supérieurs d'un glacier provoquent des contraintes. On a construit un modèle des variations annuelles typiques de la température de surface et l'on calcule la progression des ondes de chaleur à travers le glacier en utilisant la théorie de Fourier pour la conduction de la chaleur. Les fluctuations de courtes périodes sont rapidement atténuées et, à 10 m de profondeur, le cycle annuel est réduit à 5% de son amplitude à la surface. Lorsque la température de la glace varie, celle-ci subit des petits changements de volume; les contraintes sont calculées dans l'hypothèse que la tendance de la glace à se dilater ou à se contracter latéralement provoque la création dans la glace de contraintes juste suffisantes pour que la glace reste immobile. On trouve que dans les niveaux supérieurs sur 2 ou 3 m les efforts d'origine thermique sont généralement supérieurs à ceux dus aux grandes déformations ou à la pression de surcharge. Pour la glace dense, on a utilisé la loi d'écoulement de Glen et les conditions ont été trouvées favoriser la formation d'ondulations de surlace de longueur d'onde de 10 m. Pour le névé ou la neige, on admet un écoulement Newtonien et l'on trouve que, en conditions froides, des ruptures à la traction peuvent survenir. Des fissures d'origine thermique peuvent être responsables de la formation initiale de crevasses et peuvent aussi expliquer le bruit de fond constaté lors des tirs sismiques à basses températures. On calcule le champ des vitesses de deformation autour d'une crevasse et l'on constate que les effets thermiques peuvent conduire à des anomalies dans les mesures de ces vitesses de deformation pres des crevasses. L'ordre de grandeur de cet effet suffit aisément à rendre compte des fluctuations anormales des vitesses de déformation qu'ont trouvé les chercheurs utilisant des jauges de contrainte à câble sur le Barnes Ice Cap.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

In den obersten 10 m eines Gletschers treten Spannungen infolge von Temperaturschwankungen an der Oberflache auf. Far die Ternperaturanderung an der Oberflache wahrend eines typischen Jahres wird ein Modell entwickelt; die Fortpflanzung von Tem peraturwellen durch den Gletscher wird mit Hilfe der Warmeleittheorie von Fourier berechnet. Kurzperiodische Schwankungen erfahren eine rasche Dampfung; in to m Tiefe betragt die Amplitude des Jahresyklus nur noch 5% ihres Wertcs an der Oberflache. Das Eis erfahrt mit den Temperaturschwankungen kleine Volumenanderungen; die Spannungen werden unter der Annahrne berechnet, dass jede Neigung des Eises zu einer seitliohen Ausdehnung oder Kontraktion gerade soviel Spannung erzeugt, dass das Eis keine Deformation erleidet. Es zeigt sich, dass in den obersten 2 bis 3 m die Spannungen thermischen Ursprungs int allgemeinen jene abersteigen, die von der Gesamtdeformation oder dem Uber-lagerungsdruck herruhren. Far den Fall von Eis hoher Dichte wird das Fliessgesetz von Glen herangezogen, wobei sich gunstige Voraussetzungen far die Bildung einer Oberflachenknitterung mit einer Wellenlange von 10 m ergeben. Far den Fall von Firn oder Schnee wird ein Newtonsches Fliessgesetz angenommen, was bei niedrigen Temperaturen zum Auftreten von Brachen unter Zugspan n ung fahrt. Risse thermischen Ursprungs darften der Anlass far die Bildung von Spalten sein; sie lassen sich auch zur Erklarung des Hintergrund-rauschens bei seismischen Sprengungen unter tiefer Temperatur heranzichcn. Far des Verformungsfeld in der Umgebung eines kisses werden Berechnungen angestellt, wobei sich ergibt, class thermische Effekte zu beachtlichen Verformungsanomalien bei Deformationsmessungen in Rissnahe führen konnen. Das Ausmass des Effektes reicht ohne weiteres aus, urn die ungewohnlich fluktuierenden Verformungen erklaren zu können, die beim Einsatz von Drahtspannungsmessern auf dem Barnes Ice Cap beobachtet wurden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
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Fig. 1. Melt pools on George VI Ice Shelf, Antarctica, at separation approximately 450 m. (Photograph by Charles Swithinbank.)

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Fig. 2. Mean daily temperatures throughout the year: (a) data recorded at Fossil Bluff, 1968; (b) empirical model reproducing principal features {Equation (5)). The dashed line shows the mean annual temperature.

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Fig. 3. Half-monthly mean temperatures for Fossil Bluff, rg68 displayed with a fitted annual sinusoidal curve and a dashed line to show mean annual temperature.

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Fig. 4. Maximum entropy power spectrum of mean daily temperature variations for Fossil Bluff, 1968, showing power plotted logarithmically against period.

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Fig. 5. Progress of a model temperature wave through the top 10 m of a glacier.

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Fig. 6. Progress of the stress wave-form though the top 10 m ofa glacier, fir the case of a glacier not undergoing gross strain.

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Fig. 7. Comparison of thermal stress with overburden pressure, as a function of depth.

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Fig. 8. Progress of the stress waveform through the top 10 m of a glacier, for the case of a glacier undergoing gross strain-rates $$ il — ~1.9 ° s~' and έζ=0.6X io~10 s~:. The solid line shows the stress along the major principal axis, and the dashed line shows the stress along the minor axis

Figure 8

Fig. 9. Buckling of a pinned incompressible bar subject to compressive strain.

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Fig. 10. Stress as a function of depth for six days of the year.

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Fig. 11. Effective viscosity as a function of depth for six days of the year.

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Fig. 12. Schematic diagram of a typical surface thermal stress state.

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Fig. 13. Modes of buckling under stress: (a) viscous layer resting on a semi-infinite viscous medium (Biot,1961); (b)non-Newtonian layer embedded in an infinite non-Newtonian medium (Smith, 1975,1977). The shaded areas represent the more competent (more viscous) medium.

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Fig. 14. Logarithmic plot of n/v against temperature, to determine the relationship between snow viscosity and temperature. Data from Feldt and Ballard {1966).

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Table I. Thermal stresses set up in firn, for three values of mean annual temperature. The division line shows the depth to which crack intiation is possible

Figure 15

Fig. 15. Diagram of the strain-rate field surrounding cracks undergoing thermal strain; appreciable strain occurs within a region of order j0 surrounding a crack. A wire strainmeter with its end units in the vkinity of a crack will register an anomalous apparent strain-rate.