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Internal Reflections in Polar Ice Sheets

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

J. G. Paren
Affiliation:
Department of Physics, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, England
G. de. Q. Robin
Affiliation:
Scott Polar Research Institute, Cambridge CB2 1ER, England
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Internal reflections are due to changes in electrical admittance between adjacent depositional layers. Reflection coefficients are given for discontinuous changes in either the permittivity or loss tangent. The observed strengths of internal echoes rule out the possibility that they are caused by isolated layers containing “foreign” material, but suggest instead that they are due to systematic fluctuations of density, anisotropy, or loss tangent. The electrical behaviour of ice from polar ice sheets is reviewed and compared with that of ice grown in controlled laboratory conditions. We suggest that the impurity distribution in polycrystalline ice is dependent on the impurity content and the temperature of freezing, and the conductivity is essentially determined by the intrinsic and impurity defects within the crystal lattice. In a polar ice sheet, density fluctuations decrease with depth, whereas loss tangents (and hence their fluctuations) increase since the ice becomes warmer towards bedrock. Echo strengths in central Antarctica are compared with those calculated for a boundary where either all bubbles disappear or the loss tangent changes by 50%. Assuming a constant layering geometry to 2 700 m depth, density fluctuations account for echoes above 1 500 m, but deeper echoes are best explained by variations in the ice conductivity.

Résumé

Résumé

Les réflexions internes sont provoquées par des changements de résistivité électrique entre les couches de dépôts successives. Les coefficients de réflexion sont donnés pour des discontinuités par la permittivité et aussi l’ angle de perte. Les tensions observées par écho interne ruinent l’ hypothèse de couches isolées contenant un matériau étranger comme étani à l’ origine des phénomènes. Ce serait plutôt des fluctuations systématiques de densité, d’anisotropie ou d’angle de perte. Le comportement électrique de la glace provenant de calotte polaire est examiné et comparé avec celui de la glace formée dans les conditions contrôlées du laboratoire. Nous suggérons que la distribution des impuretés dans la glace polycristalline dépend de la teneur en impureté ei de la température à laquelle s’est fait le gel, alors que la conductivité est essentiellement déterminée par les défauts, intrinsèques et dus aux impuretés à l’intérieur du réseau cristallin.

Dans une calotte polaire les fluctuations de densité s’atténuent avec la profondeur alors que les angles de perte (et donc leur fluctuation) augmentent lorsque la glace devient plus chaude en approchant du lit rocheux. Les intensités des échos obtenus en Antarctique centrale soni comparés avec ceux calculés pour des couches où, soit toute glace bulleuse a disparu, soit l’angle de perte a varié de plus de 50%. En supposant que la disposition géométrique des niveaux dans la glace est constante à la profondeur de 2 700 m, les fluctuations de densité rendent bien compte des échos au-dessus de 1 500 m, mais les échos provenant de zones plus profondes sont mieux expliqués par les variations de la conductivité de la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Innere Reflexionen werden durch Wechsel im scheinbaren elektrischen Leitwart zwischen benachbarten Ablagerungsschichten verursacht. Es werden Reflexionskoeffizienten für diskontinuierliche Wechsel entweder der Dielektrizitätskonstante oder der Dämpfung angegeben. Die beobachteten Stärken innerer Echos schliessen die Möglichkeit ihrer Entstehung durch isolierte Schichten mit Fremdmaterial aus und lassen eher eine solche Entstehung durch systematische Änderungen der Dichte, durch Anisotropie oder Dämpfung vermuten. Das elektrische Verhalten von Eis aus polaren Eisdecken wird untersucht und mit dem von Eis, class unter Laborbedingungen entstanden ist, verglichen. Wir nehmen an, dass die Verteilung der Verunreinigungen in polykristallinem Eis vom Grad der Verunreinigung und der Gefriertemperatur abhängt und dass die Leitfähigkeit wesentlich durch die inneren und durch Verunreinigung bedingten Fehler innerhalb des Kristallgitters bestimmt wird. In einer polaren Eisdecke nehmen die Dichteschwankungen mit der Tiefe ab, während die Dämpfung (und damit ihre Schwankungen) zunehmen, da das Eis gegen den Untergrund hin wärmer wird. Echostärken in Zenlral-Antarktika werden mit solchen verglichen, die für eine Grenzschicht berechnet wurden, an der alle Luftblasen verschwinden oder die Dämpfung sich um 50% ändert, Unter der Annahme einer gleichmässigen Schichtgeometrie bis 2 700 m Tiefe sind Dichteschwankungen für Echos über 1 500 m verantwortlich; tiefere Echos lassen sich jedoch am besten durch Schwankungen in der Leitfähigkeit des Eises erklären.

Information

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

Table I Reflection Coefficient rs for the Boundary Between Bubble-Free and Bubbly Ice where the Bubble Pressure Equals the Overburden Pressure. THE Atmospheric Pressure is Taxen as 700 mbar to Allow for a Surface Elevation of the the Sheet of Rouchly 3000 m

Figure 1

Table II. The Loss Tangent at 35 mhz for Polar Ice Deduced from the Measurements of Westphal and Paren (1973). The Reflection Coefficient rs is Calculated for the Boundary Between this Ice and Ill Whose Loss Tangents are tan б ± Δ (tan б) Δ (tan б)/ tan б = 0.2, 0.5 and 0.8 Respectively

Figure 2

Table III. The Loss Tangent at 35 mhz for Pure Ice, Based on the Audio-Frequency Dispersion, and for Polar Ice Deduced from the Measurements of Westphal and of Paren (1973). The Reflection Coefficient rs is Calculated for the Boundary Between Pure Ice and Polar Ice

Figure 3

Fig. 1. Variation in the strength of internal reflections in central Antarctica. The gradients of the theoretical curves depicting changes in density and loss tangent should be compared with the field observations. The loss-tangent curve is computed for Δ(tan б)/tan б = 0.5 at 60 MHz.