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On the Role of Mechanical Energy in Maintaining Subglacial Water Conduits at Atmospheric Pressure

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Roger Leb. Hooke*
Affiliation:
Naturgeografiska Institutionen, Stockholms Universitet, Stockholm, Sweden
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Abstract

Recent theoretical studies of glacier hydrology have assumed that subglacial conduits are completely filled with water under steady-state conditions. This, however, is not necessarily the case. Where discharges are larger than a few tens of liters per second and the down-glacier slope of the bed is more than a few degrees, the potential energy released by water descending this slope may be capable of melting the walls of a subglacial conduit many times faster than the conduit can close by plastic flow of the ice. As a result, the pressure in such tunnels may normally be atmospheric, or possibly even at the triple-point pressure if there is no open connection to the glacier surface. Simple calculations suggest that such pressures in subglacial conduits may be more common than heretofore anticipated.

The positions of such “open” conduits may be unstable to small perturbations in discharge or ice velocity. This is because the mechanical energy available in excess of that needed to balance closure can instead offset the general flow of the ice. Conduits can thus trend diagonally across the direction of ice flow. If an increase in the angle which such a conduit makes with the ice flow direction also results in an increase in slope of the conduit, more mechanical energy will become available, resulting in a positive feedback process.

Subglacial channels at atmospheric pressure may influence the origin and morphology of certain glacial landforms, such as eskers and “plastically-molded” features.

Résumé

Résumé

De récentes études théoriques d’hydrologie glaciaire ont supposé que le réseau sous glaciaire était complèment rempli d’eau en condition d’équilibre stable. Ceci, néanmoins, n’est pas nécessairement le cas. Lorsque les débits sont supérieurs à quelques dizaines de litres par seconde et que la pente du lit du glacier est supérieure à quelques degrés, l’énergie potentielle mise en oeuvre par l’eau descendant cette pente peut être capable de fondre les parois d’un chenal sous-glaciaire beaucoup plus vite que la chenal ne peut se reformer par le fluage plastique de la glace. Il en résulte que la pression dans de tels chenaux peut normalement être atmosphérique ou, peut être même à la pression du point triple s’il n‘y a pas de connection ouverte vers la surface du glacier. Des calculs simples montrent que de telles pressions dans les chenaux sousglaciaires peuvent être plus fréquentes qu’il n’était admis jusqu’ici.

Les positions de tels chenaux “ouverts” peuvent être instables aux petites variations dans le débit ou la vitesse de la glace. Ceci provient de ce que l’énergie newtonnienne disponible en excès par rapport aux besoins du strict bilan peut remplacer l’écoulement général de la glace. Les chenaux peuvent alors tendre à prendre une position diagonale par rapport à la direction de l’écoulement de la glace. Si un accroissement de l’angle qu’un tel chenal fait avec la direction de l’écoulement de la glace provoque une augmentation de la pente du dit chenal, plus d’énergie newtonnienne devient disponible ce qui entraîne un processus de rétroaction positive.

Des chenaux sous-glaciaire à la pression atmosphérique peuvent influencer l’origine et la morphologie de certaines formes glaciaires tels que les eskers et les formations du type “moulage plastique”.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Neuere theoretische Untersuchungen der Gletscher-Hydrologie nehmen an, dass subglaziale Gänge unter stationären Bedingungen ganz mit Wasser gefüllt sind. Dies muss jedoch nicht unbedingt der Fall sein. Wo der Abfluss grösser als einige zehn Liter pro Sekunde ist und die Neigung des Bettes gletscherabwärts mehr als einige Grad beträgt, kann die potentielle Energie des Wassers, das über dieses Bett abfliesst, die Wände einer subglazialen Führung vielmal schneller aufschmelzen, als sich die Führung durch plastisches Fliessen des Eises schliesst. Als Folge dürfte der Druck in solchen Tunnels gewöhnlich dem Luftdruck gleich sein oder möglicherweise sogar dem Druck am Dreifachpunkt, wenn keine offene Verbindung zur Gletscheroberfläche besteht Einfache Rechnungen lassen darauf schliessen, dass solche Druckverhältnisse in subglazialen Führungen häufiger als bisher angenommen vorkommen.

Die Lage solcher “offener” Führungen dürfte instabil gegenüber kleinen Störungen im Abfluss oder in der Eisgeschwindigkeit sein. Dies ist der Fall, weil die Newton’sche Energie, die als Überschuss gegenüber jener vorhanden ist, die der Schliessung das Gleichgewicht hält, statt dessen den Gletscherfluss ausgleichen kann. Führungen können so diagonal zur Fliessrichtung des Eises laufen. Wenn die Zunahme des Winkels, den eine solche Führung mit der Fliessrichtung des Eises einschliesst, mit einer Zunahme der Neigung der Führung verbunden ist, wird noch mehr Newton’sche Energie frei, was zu einer positiven Rückkopplung führt.

Subglaziale Kanäle unter atmospärischem Druck können die Entstehung und Gestaltung gewisser glazialer Landformen beeinflussen, z.B. von Eskern und “platisch-geformten” Erscheinungen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
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Fig. 1. Definition of symbols used in Equation (1).

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Fig. 2. Critical values of discharge, bed slope, and ice thickness. If the discharge in a conduit is greater than the value read on the abscissa for a given bed slope and ice thickness, the conduit is likely to be open.

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Fig. 3. Definition of quantities used in calculation of back-pressure effects.

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Fig. 4. Map of Storglaciären showing ice thickness and bed contours. Back-pressure effects in the overdeepened areas should result in filled conduits in the areas enclosed by the heavy dashed Lines. Outside of those areas open conduits are expected.