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The Effect of Slope, Exposure and Mountain Screening on the Solar Radiation of McCall Glacier, Alaska: A Contribution to the International Hydrological Decade

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Gerd Wendler
Affiliation:
Geophysical Institute, University of Alaska, Fairbanks, Alaska 99701, U.S.A.
Nobuyoshi Ishikawa
Affiliation:
Geophysical Institute, University of Alaska, Fairbanks, Alaska 99701, U.S.A.
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Abstract

The McCall Glacier is located in the Brooks Range, north Alaska. Most of its slopes have a northerly exposure with an inclination between 5°and 15°. The reduction in direct solar radiation owing to this northerly exposure is small (1.7%) in summer (ablation period, solar declination 20°), as the reduction in radiation received on a north slope during the noon hours is mostly compensated by the increase of energy during the “night” hours, as the sun does not set at that latitude in summer. With the shortening of the solar path, the decrease in direct solar radiation as compared with a horizontal surface becomes more important. At the equinox the loss is 24.8%, and at a solar declination of —10° (20 October or 24 February) even higher with 32.6%.

A further reduction in solar radiation is caused by the steep mountains, which surround the McCall Glacier. The duration of sunshine is reduced during the ablation period by nearly 40%, which, however, represents an energy loss of only 13.4%, as the screening effect of the mountains is most important with low solar angles, i.e. at times when the total energy received at the surface is small. The screening effect of the mountains becomes more severe with lower sun angles and shorter paths of the sun. During the equinox a loss in duration of 67.6%, and in energy of 55.7% is observed. For a solar declination of —10°, there is hardly any direct sunshine on the glacier at all. There is then a loss in duration of 93.6%, resulting in a loss of energy of 87.8%.

Together, these two components reduce the direct solar radiation by about 15% in the ablation period, 67% at the equinox and more than 90% at a solar declination of —10°.

Le McCall Glacier est situé dans la chaîne de Brooks, au Nord de l’Alaska. La plupart de ses pentes ont une exposition Nord avec une pente de 5° à 15°. La réduction dans le rayonnement solaire direct dûe à son exposition Nord est faible (1,7%) en été (pendant la période d’ablation, la déclinaison du soleil est de 20°), car la réduction du rayonnement reçu sur une pente Nord pendant les heures de milieu de journées est en majeure partie compensée par l’accroissement de l’énergie reçue pendant les heures “nocturnes” puisque le soleil ne se couche pas à ces latitudes. Lorsque le chemin du soleil se raccourcit, le déficit en rayonnement solaire direct par rapport à une surface horizontale devient plus important. A l’équinoxe, la perte est de 24,8% et lorsque la déclinaison solaire est de —10°(20 octobre ou 24 février), elle est même plus forte avec 32,6%.

Une réduction supplémentaire du rayonnement solaire résulte du relief des montagnes entourant le McCall Glacier. La durée d’illumination est réduite, pendant la période d’ablation, de près de 40%, ce qui, cependant, ne représente une perte d’énergie que de 13,4%, car l’effet d’écran des montagnes est le plus important lorsque l’angle d’incidence du soleil est faible, c’est-à-dire au moment où l’énergie reçue en surface est faible. L’effet d’écran des montagnes devient plus sévère lorsque les angles d’incidence du soleil deviennent plus petits et plus court son trajet. A l’équinoxe, la perte en durée est de 67,6% et en énergie de 55,7%. Pour une déclinaison solaire de —10°, il y a rarement d’illumination directe du glacier. Il y a donc une perte en durée de 93,6% provoquant une perte en énergie de 87,8%.

Le réunion de ces deux effets réduit le rayonnement solaire direct d’environ 15% pendant la période d’ablation, de 67% à l’équinoxe et de plus de 90% pour une déclinaison solaire de —10°.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Der McCall Glacier liegt im nördlichen Alaska (Brooks Range). Die meisten Hänge haben nördliche Exposition mit Neigungen zwischen 5° und 15°. Der Verlust an Sonnenstrahlung, der von der nördlichen Exposition verursacht wird, ist im Sommer (Ablationsperiode, Sonnendeklination 20°) gering (1,7%), da der Strahlungsverlust der Nordhänge in den “Nachtstunden” kompensiert wird, da die Sonne in diesen Breiten im Sommer nicht untergeht. Mit kürzeren Sonnenbahnen wird der Strahlungsverlust bedeutender; für die Tag- und Nachtgleiche beträgt der Verlust im Vergleich mit der Horizontalen 24,8% und 32,6% für eine Sonnendeklination von —10° (20 Oktober bzw. 24 Februar).

Ein weiterer Strahlungverlust wird von den steilen Bergen verursacht, die den McCall Glacier umgeben. Die mögliche Sonnenscheindauer ist in der Ablationsperiode um fast 40% reduziert, was jedoch nur einem Energieverlust von 13,4% gleichkommt, da die Horizontabschirmung am Wirksamsten mit niedriger Sonnenhöhe ist, d.h. für Perioden, wenn die Energie, die am Boden ankommt, gering ist. Die Horizontabschirmung wird mit niedrigeren Sonnenhöhen und kürzeren Sonnenbahnen bedeutender; für die Tag- und Nachtgleiche wird ein Verlust in Sonnenscheindauer von 67,6% bzw. in Energie von 55, 7% beobachtet. Bei —10° Sonnendeklination erreicht fast gar keine direkte Sonnenstrahlung den Gletscher. Der Verlust in Sonnenscheindauer ist 93,6%, was einem Energieverlust von 87,8% gleichkommt.

Gemeinsam reduzieren Exposition und Horizontabschirmung die Energie der direkten Sonnenstrahlung um etwa 15% in der Ablationsperiode, 67% während der Tag- und Nachtgleiche und um mehr als 90% bei einer Sonnendeklination von —10°.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1974
Figure 0

Fig. 1. Map of the inclination of the McCall Glacier, Brooks Range, Alaska.

Figure 1

Fig. 2. Map of the slope direction of the McCall Glacier, Brooks Range, Alaska.

Figure 2

Fig. 3. Frequency distribution of the slope directions of the McCall Glacier, Brooks Range, Alaska.

Figure 3

Table I. Area (per cent) of the McCall Glacier having specified slope exposures and inclinations

Figure 4

Table II. Mean daily direct solar radiation energy (expressed as a percentage of that on a horizontal surface) for unscreened surfaces with specified exposures, inclinations, and solar declinations

Figure 5

Table III. Direct solar radiation energy deficit received on the whole McCall Glacier as compared with the horizontal unscreened surface for given solar declinations

Figure 6

Fig. 4. View of McCall Glacier looking towards the south-west. Note that the western parts of the glacier tongue are in shadow. (Photograph by Dr K. O. L. F. Jayaweera.)

Figure 7

Fig. 5. The screening of the mountains for the micrometeorological site, and four sun paths for the solar declinations of 23.5°, 20°, 0° and —10°.

Figure 8

Fig. 6. The loss in duration of sunshine of McCall Glacier in midsummer, solar declination 23.5°.

Figure 9

Fig. 7. The loss in duration of sunshine of McCall Glacier at the equinox, solar declination 0°.

Figure 10

Fig. 8. The loss in duration of sunshine of McCall Glacier in the autumn, solar declination —10°.

Figure 11

Fig. 9. The loss in duration of sunshine of McCall Glacier in the ablation period, solar declination 20°.

Figure 12

Fig. 10. The loss in energy of direct solar radiation of McCall Glacier in midsummer, solar declination 23.5°.

Figure 13

Fig. 11. The loss in energy of direct solar radiation of McCall Glacier at the equinox, solar declination 0°.

Figure 14

Fig. 12. The loss in energy of direct solar radiation of McCall Glacier in the autumn, solar declination —10°.

Figure 15

Fig. 13. The loss in energy of direct solar radiation of McCall Glacier in the ablation period, solar declination 20°.

Figure 16

Table IV. Loss in duration and energy for the whole McCall Glacier owing to the screening effect of the surrounding mountains for different solar declinations

Figure 17

Table V. Energy received on the McCall Glacier for different solar declinationsA horizontal surface without any screening of the sun is considered to receive 100% energy