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Atmospheric Processes and the Chemistry of Snow on the Ross Ice Shelf, Antarctica

Published online by Cambridge University Press:  21 June 2017

J. A. Warburton*
Affiliation:
Energy and Atmospheric Environment Center, Desert Research Institute, University of Nevada System, Reno, Nevada 89507, U.S.A.
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Abstract

Correlations between chemical profiles (Na, K and Mg) in three 2 m deep pits, separated by hundreds of kilometers on the Ross Ice Shelf, suggest that the passage of major storm systems is often recorded as peaks in cationic concentration in the snow-pack on the Ice Shelf. The magnitude of the peaks appears to be a function of both storm intensity and the extent of sea ice adjoining the Ross Ice Shelf. Samples were collected from a network of 21 shallow pits on the Ice Shelf. Although concentration of impurities in the snow varies as a function of distance from the sea on northern portions of the Ross Ice Shelf, a more complex relationship exists in the interior of the Shelf. A distinct chemical zone south of Roosevelt Island may reflect the presence of a "cyclone graveyard". Non-marine cationic ratios in the southern portion of the Ice Shelf suggest the significant influence of a fractionated marine aerosol and the presence of a second, continental aerosol source. Ionic ratios in rime deposited on the Ross Ice Shelf during periods of fog are interpreted as reflecting the production of fog droplets from the chemically-enriched surface microlayer of the ocean. Diffusionally grown snow crystals also have non-marine ratios. In contrast, snowfall associated with peaks in chemical concentration in particular, and the snow-pack on northern portions of the Ross Ice Shelf in general, yield near-marine ionic ratios. This indicates that the chemistry of snow which is near the coast and snow from major storms is dominated by large droplet riming and the associated presence of a high proportion of sea-salt particles.

Résumé

Résumé

Processus atmosphérique et chimie de la neige dans le Ross Ice Shelf, Antarctique. Les corrélations entre les profils chimiques (Na, K et Mg) trouvés dans trois forages de 2 m de profondeur, séparés par des centaines de kilomètres sur le Ross Ice Shelf, font présumer que les passages des principaux systèmes de perturbations sont souvent enregistrés comme des pointes dans la concentration en cations dans les manteaux neigeux sur le Shelf. L'importance de ces pointes semble être une fonction à la fois de l'intensité de la perturbation et de l'importance de la glace de mer attenant au Ross Ice Shelf. Les échantillions étaient rassemblés dans les forages peu profonds dans une grille des 21 points à travers le Shelf. Bien que la concentration en impuretés dans la neige varie comme une fonction de la distance à la mer dans les parties nord du Ross Ice Shelf, une relation plus complexe s'établit à l'intérieur de la banquise. Une zone chimique distincte au sud de Roosevelt Island peut refléter la présence d'un "cimetière de cyclones". Des teneurs en cations "non marins" dans le sud du Ice Shelf révèlent l'influence significative d'une dispersion de l'aérosol marin et de la présence d'une source secondaire d'aérosol continental. Les rapports ioniques dans le givre déposé sur le Ross Ice Shelf au cours de périodes de brouillard sont interprétés comme le résultat de la production de gouttelettes de brouillard à partir de la microcouche superficielle, chimiquement riche, de l'Océan. Les cristaux de neige crus par diffusion ont nettement des concentrations non marines. Bien que les chutes de neige associées à des maximum de concentration chimique, en particulier et que les manteaux neigeux des régions Nord de l'Ice Shelf, en général, donnent des concentrations ioniques de type marines. Ceci indique que la chimie des neiges subcôtières et celle des neiges des grands épisodes perturbés sont dominées par un fort givrage des gouttelettes et, corrélativement, par la présence d'un forte proportion de particules de sel marin.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Atmosphärische Vorgänge und der Chemismus des Schnees auf dem Ross Ice Shelf, Antarktika. Zusammenhänge zwischen chemischen Profilen (Na, K, und Mg) in drei 2 m tiefen Schächten, die hunderte von Kilometern auf dem Ross Ice Shelf auseinander liegen, lassen darauf schliessen, dass der Durchzug grösserer Zyklonen sich oft durch Maxima der Kationen-Konzentration in der Schneedecke des Schelfeises äussert. Die Grösse der Maxima scheint eine Funktion sowohl der Sturmstärke als auch de angrenzende Meereis Ross Ice Shelf der Ausdehnung des an das zu sein. Die Proben wurden einen Netzwerk von 21 flachen Schächten auf dem Schelfeis entommen. Zwar ändert sich die Konzentration an Verunreinigungen im Schnee in Funktion des Meeresabstandes in den nördlichen Teilen des Ross-Schelfeises, doch herrscht eine kompliziertere Beziehung im Innern des Schelfeises. Eine bestimmte chemische Zone südlich des Roosevelt Island mag das Vorhandensein eines "Zyklonen-Friedhofs" andeuten. Nicht-marine Kationenverhältnisse im Südteil des Schelfeises deuten auf den wesentlichen Einfluss eines fraktionierten marinen Aerosols und das Vorhandensein einer zweiten, kontinentalen Aerosolquelle hin. Aus Ionenverhältnissen im Reif, auf dem Ross Ice Shelf abgelagert während Nebelperioden, lässt sich die Produktion von Nebeltröpfchen aus dem chemisch angereicherten Oberflächenfilm des Ozeans annehmen. Schneekristalle, die durch Diffusion gewachsen sind, haben ebenfalls ausgeprägt nicht-marine Verhältnisse. Im Gegensatz dazu ergeben Schneefälle, verbunden mit Maxima der chemischen Konzentration, im besonderen und die Schneedecke auf den nördlichen Teilen des Schelfeises im allgemeinen fast-marine Ionenverhältnisse. Dies deutet darauf hin, dass der Chemismus küstennahen Schnees und der des Schnees aus grösseren Stürmen durch Reifbildung aus grossen Tropfen und — damit verbunden — durch das Vorhandensein eines hohen Anteils an Meeressalzpartikeln bestimmt wird.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1 2 m deep pits were intensively sampled at C7, RISP BC, and RIC. Three or four snow samples were collected from the other 21 Ross Ice Shelf locations indicated on the map.

Figure 1

Table I. Results of chemical analysis of snows from various sites

Figure 2

Fig. 2 Temporal variations in Na, Mg, and K concentration peaks have been correlated both on the basis of the pattern and spacing of peaks and of the mean annual snow accumulation at the three sites.

Figure 3

Fig. 3a–d. The geographic variations of Na, Mg, and K concentrations and their ratios are not a simple function of distance from the sea. Although alternative contouring schemes are possible, all seem to show a feature in the region south of Roosevelt Island.

Figure 4

Fig. 3e and f. The geographic variations of Na: Mg and Mg: K ratios.

Figure 5

Table. II. Results of chemical analysis of snows from C7 and Base Camp

Figure 6

Fig. 4 The presence of two chemistry–accumulation regimes on the eastern portion of the Ross Ice Shelf is suggested by the two distinct relationships indicated.

Figure 7

Fig. 5 The physiographic and meteorological setting of the Ross Ice Shelf. 5b(1) and 5c(1) are thought to reflect an important storm track with its associated increased incidence of snowfall and advected warmer marine air. The high accumulation zone on the Shelf (5b(2)) is produced by the orographic effect of the Transantarctic Mountains. Adiabatically warmed air carried to the Ice Shelf by katabatic winds is probably responsible for 5c(2). (Maps after Bentley and others, 1962.)

Figure 8

Fig. 6 Cyclonic frequency maxima (Taljaard, 1972) illustrated here, total cloudiness, and the distributions of cyclonic and anticyclonic centers, all indicate that most storms which affect the Ross Ice Shelf initially penetrate the Shelf in the vicinity of Roosevelt Island and the Marie Byrd Land coast.

Figure 9

Fig. 7 The variations in (a) average annual accumulation (g/unit area), (b) average annual surface temperatureC), (c) average snow hardness (kg), and (d) average snow density (Mg/m3 × 103) were measured by Crary and others (1962). All parameters have their lowest values in the interior of the Shelf. The patterns south of Roosevelt Island may reflect the movement of storms near and over the Ross Ice Shelf.