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Firn Densification: An Empirical Model

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Michael M. Herron
Affiliation:
Ice Core Laboratory, Department of Geological Sciences, State University of New York at Buffalo, 4240 Ridge Lea Road, Amherst, New York 14226, U.S.A.
Chester C. Langway Jr
Affiliation:
Ice Core Laboratory, Department of Geological Sciences, State University of New York at Buffalo, 4240 Ridge Lea Road, Amherst, New York 14226, U.S.A.
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Abstract

An empirical model of firn densification from the surface to the zone of pore close-off has been constructed. Fundamental rate equations have been derived for the first two stages of densification. In the first stage, for densities less than 0.55 Mg m−3, the densification rate is proportional to the mean annual accumulation times the term (ρ iρ), where ρ is the density of the snow and ρ i is the density of pure ice. The densification rate in the second stage, where 0.55 Mg m −3 < ρ < 0.8 Mg m−3, is proportional to the square root of the accumulation rate and to (ρi− ρ). Depth–density and depth–age calculations from this model are compared with observation. Model accumulation rates are within about 20% of values obtained by other techniques. It is suggested that depth intervals of constant density in some Antarctic cores may represent a synchronous event in the 1880 ’s when ten times the normal accumulation fell within a year or two.

Résumé

Résumé

On a construit un modèle empirique de la densification du névé depuis la surface jusqu 'à la zone de fermeture des pores. Dans le premier stade, pour des densités inférieures à 0,55 Mg⁄m−3, la vitesse de densification est proportionnelleau produit de l’accumulation moyenne annuelle par le terme (ρ iρ), où ρ est la densité de la neige et ρ i la densité de la glace pure. La vitesse de densification dans le second stade, lorsque 0,55 Mg m−3 < ρ < 0,8 Mg m −3, est proportionnelle au produit de la racine carrée du taux d ’accumulation par (ρ iρ). Des valeurs de la densité selon la profondeur, et de la densité selon l ’âge sont calculées à partir de ce modéle et comparées avec l ’observation. Les vitesses d ’accumulation tirées du modéle restent à 20% prés voisines des valeurs obtenues par d ’autres techniques. On suggére que des tronçons de densité constante trouvés dans des carottes prelevées en Antarctique peuvent représenter un épisode vers les années 1880 où il est tombé dix fois plus de neige que la normale en un ou deux ans.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Für die Verdichtung des Firns von der Ober-fläche bis zur Zone des Porenschlusses wurde ein empirisches Modell entwickelt. Für die beiden ersten Stufen der Verdichtung werden fundamentale Geschwindigkeitsgleichungen hergeleitet. In der ersten Stufe, für Dichten von weniger als 0,55 Mg m−3, ist die Verdichtungsrate proportional dem Produkt aus der mittleren jährlichen Akkumulation und dem Ausdruck (ρ iρ), wobei ρ die Dichte des Schnees und ρ i die des reinen Eises ist. Die Verdichtungsrate in der zweiten Stufe, wo 0,55 Mg m−3 <ρ < 0,8 Mg m −3 gilt, ist proportional zur Quadratwurzel aus der Akkumulationsrate, multipliziert mit (ρ iρ). Berechnungen der Dichte und des Alters mit der Tiefe aus diesem Modell werden mit Beobachtungen verglichen. Die Modell-Akkumulationsraten stimmen auf etwa 20% mit Werten überein, die mit anderen Methoden gewonnen wurden. Die Annahme erscheint gerechtfertigt, dass Intervalle konstanter Dichte in einigen antarktischen Eiskernen aus einern gleichzeitigen Ereignis in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts stammen, bei dem innerhalb eines Jahres oder zweier die Akkumulation zehnmal grösser war als sonst.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1980
Figure 0

Table I. Glaciolocical Data for Greenland and Antarctic Ice Cores

Figure 1

Table II. Values of the Constants a and b Derived from Accumulation Rates and Slopes Derived Prom Graphs of Depth Against ln [ρ/(ρiρ)] for Pairs of Sites

Figure 2

Fig. 1. Arrhenius plots for ko (lower line) and k1 (upper line ).

Figure 3

Fig. 2. Predicted depth—ln [ρ/(ρi−ρ)] curves for: (a) various temperatures at a constant accumulation rate of 0.30 m water year−1 and initial density of 0.36 Mg m−3, and (b) various accumulation rates (in m water year−1) at a constant temperature of −30°C and initial density 0.36 Mg m−3.

Figure 4

Fig. 3. Depth-density curves for: (a) Greenland, (b) inland Antarctic, and (c) Ross Ice Shelf ice cores. Initial density, accumulation rate, and temperature values shown were used to generate model curves shown as solid lines. Arrows in the Site 2 profile refer to pronounced melt features (Langway, 1970).

Figure 5

Table III. Observed and Predicted Ages for Five Ice Cores from Greenland and Antarctica

Figure 6

Table IV. Observed and Predicted Accumulation Rates

Figure 7

Fig. A1. Depth-ln [ρ/(ρi−ρ)] data for inland Greenland sites.

Figure 8

Fig. A2. Depth—ln [ρ/(ρi−ρ)] data for inland Antarctic sites.

Figure 9

Fig. A3. Depth—ln [ρ/(ρi−ρ)] data for Ross Ice Shelf,Antarctica sites.

Figure 10

Table V. Density-ln [ρ/(ρiρ)] Values