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The Effect of Longitudinal Strain on the Shear Stress of an Ice Sheet: In Defence of Using Stretched Coordinates

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Kolumban Hutter*
Affiliation:
Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, Eidg. Technische Hochschule Zürich, CH-8092 Zürich, Switzerland
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Abstract

Thickness changes of ice sheets are, except perhaps at the snout region, small as compared to unity. This suggests using a coordinate stretching so as to make the surface changes in the new coordinates of order one. The explicit occurrence of the smallness parameter in the governing equations then allows us to search for perturbation solutions in various problems. Here, it is shown that the classical formula for the basal shear stress follows easily from such a perturbation procedure. Furthermore it can be improved to account for longitudinal strain effects. As compared to previous work in this area, these formulae are explicit and allow us to take vertical variations of material properties into account in a straightforward manner.

Résumé

Résumé

Les variations d’é paisseur des couvertures de glace, excepté peut-être près de la langue, sont faibles en valeur relative. Ce fait suggère le recours à la dilatation des coordonnées, de manière à ce que les changements de niveau à la surface dans les nouvelles coordonnées soient de l’ordre de l’unité. L’incidence explicite du paramètre petitesse dans les équations qui gouvernent ces mouvements nous permet alors de rechercher des solutions par perturbation dans de nombreux problèmes. Ici on montre que la formule classique pour le cisaillement à la base se déduit facilement d’une telle méthode par perturbation. Elle peut surtout constituer un progrès pour la prise en compte des effets de la déformation longitudinale. En comparaison avec les travaux précédents sur ce sujet, ces formules sont explicites et permettent d’extrapoler pour rendre compte des variations verticales des propriétés matérielles de la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Dickenänderungen von Eiskappen sind ausser in den Randgebieten klein im Vergleich zur Einheit. Diese Tatsache legt es nahe, eine Strecktransformation der Koordinaten derart vorzunehmen, dass die Oberflächenänderung im neuen Koordinatensystem die Grössenordnung Eins erhält. Aus der Tatsache, dass ein kleiner Parameter explizit in die Gleichungen eingebaut werden kann, folgt, dass Lösungen für verschiedene Probleme mit Hilfe der Störungsrechnung zu finden sind. Es wird gezeigt, dass sich dabei die klassische Formel für die Schubspannung an der Basis ergibt. Diese Formel kann sogar noch verbessert werden, um longitudinalen Verzerrungen Rechnung zu tragen. Im Vergleich zu früheren diesbezüglichen Arbeiten sind diese Formeln explizit und erlauben eine direkte Berücksichtigung vertikaler Änderungen der Materialeigenschaften.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1981
Figure 0

Fig. 1. Geometry and definitions for the ice sheet.

Figure 1

Fig. 2. Second-order basal shear stress for the equilibrium geometry of a glacier. "The parameters in the generalized Glen flow law are n=2, a=10−2. The dashed lines, for which the right-hand scale is applicable, represent the same as the solid lines. In this and all subsequent figures the symbols indicate the values of γ, the key being given in Figure 4a, and the abscissae are ξk.

Figure 2

Fig. 3. Second-order basal shear stress for the equilibrium geometry of a glacier. The parameters in the generalized Glen flow law are n=3, a=10−3. The dashed lines, for which the right-hand scale is applicable, represent the same curves as the solid lines.

Figure 3

Fig. 4. Second-order basal shear stresses when a sinusoidal bottom protuberance is superimposed on the equilibrium surface geometry. The parameters in the generalized Glen flow law are n=3 and A=10−3. Bottom amplitude is €B=0.01 and the wavelength parameter is for a, k=1; b, k=0.75; c, k=0.5; d, K=0.25

Figure 4

Fig. 5. Second-order basal shear stresses when the parameters in the generalized Glen flow law are n=2 and a=10−2. Undulation amplitudes are €B=0.01 and wavelength parameter is k=0.25.

Figure 5

Fig. 6. Second-order basal shear stresses for the case when ϵB=0.1 and k=1. The parameters in the generalized Glen flow law are n=2, a=10−2 (cf. Fig. 6a) and n=3, a=10 −3 (cf Fig. 6b).

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Fig. 7. Second-order basal shear stresses for the case when ϵ=0.1; a and b show the results when k=1, c and d those when k=0.25. The parameters in the generalized Glen flow law are n=2, a=10-−2 (a and c) and n=3, a=10−3 (b and d). Notice the differences of order of magnitude for n=2 and n=3 respectively.