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A Field and Laboratory Study of Wave Damping by Grease Ice*

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Seelye Martin
Affiliation:
Department of Oceanography WB-10, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
Peter Kauffman
Affiliation:
Department of Atmospheric Sciences AK-40, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

In a field and laboratory study we discuss the formation, growth, and wave-absorption properties of grease ice. Our field observations show that grease-ice formation occurs under cold windy conditions in both leads and polynyas. In leads grease ice forms in the open water, then is herded to the down-wind edge of the lead; in polynyas a Langmuir circulation herds the grease ice into long plumes parallel to the wind. In the laboratory we grow grease ice in a wave tank and measure its wave absorption properties for single-frequency, two-dimensional waves. On a large scale we find that the thickness of the grease ice, which increases away from the paddle, is determined by a balance between the wave-momentum flux and the free-surface tilt. On a small scale our photographs show that the crystals which make up the grease ice consist of discs measuring about 1 mm in diameter and 1–10 µm thick, which at low rates of shear sinter together into larger clumps yielding a viscosity increase. To measure this non-linear viscosity, we study the decay of wave amplitude between two critical distances measured inwards from the leading edge. The first occurs when the depth of grease ice exceeds k−1 where k is the wave number; the second further distance is a line of transition from liquid to solid behavior which we call the dead zone. Between these two distances the wave amplitude decays with a linear slope α, which increases as (a 0 k)2 where a0 is the wave amplitude in open water. Concurrent measurements of ice concentration show that it increases from values of 18–22% at the leading edge to a local maximum of 32–44% at the dead zone, while the values at the dead zone increase non-linearly with a0k. Finally, comparison of the observed α to that calculated from a yield-stress viscosity model shows if the yield-stress coefficient is proportional to the incident wave-momentum flux, the model predicts the observed α.

Résumé

Résumé

Dans une étude sur le terrain et en laboratoire nous discutons la formation, la croissance et les propriétés d’absorption de la houle par la glace pelliculaire. Nos observations de terrain montrent la formation de glace pelliculaire sous conditions froides et ventées à la fois dans les cheneaux et dans les polynias. Dans les cheneaux la glace pelliculaire se forme dans l’eau libre, puis est accumulée vers le côté au vent du chenal; dans les polynias une circulation de Langmuir rassemble la glace pelliculaire en longues files parallèles au vent. En laboratoire, nous faisons croître la glace pelliculaire dans une enceinte à houle artificielle et mesurons ses propriétés d’absorption pour des houles à deux dimensions à fréquence unique. Sur une grande échelle, nous trouvons que l’épaisseur de la glace pelliculaire qui augmente quand on s’éloigne de la pale de l’agitateur est déterminée par un équilibre entre l’intensité du moment de la houle et la pente de la surface libre. A petite échelle, nos photographies montrent que les cristaux de glace qui construisent la glace pelliculaire consistent en disques mesurant environ 2 mm de diamètre et 1 à 10 m d’épaisseur, qui pour de faibles variations de contrainte, s’agglomèrent en plus grands amas, provoquant un accroissement de la viscosité. Pour mesurer cette viscosité, qui n’est pas linéaire, nous étudions l’abaissement de l’amplitude de la houle entre deux distances critiques, depuis la rive. La première distance critique se situe au point où la profondeur de la glace pelliculaire excède k −1k est le nombre de la houle; la seconde distance critique est une ligne de transition entre les comportements liquides et solides que nous appelons la zone morte. Entre ces deux distances, l’amplitude de la houle décroît selon une pente linéaire qui s’accroît comme (a 0 k)2a0 est l’amplitude de la houle en eau libre. Des mesures simultanées de la concentration de la glace montrent que cette concentration croît depuis 18 à 22% sur la bordure externe jusqu’à un maximum local de 32 à 44% dans la zone morte, tandis que les valeurs dans la zone morte croissent non linéairement avec a 0 k. Finalement la comparaison des valeurs observées pour et de celles calculées à partir d’un modèle de viscosité correspondant aux contraintes observées est proportionnel au moment de flux de la houle incidente, le modèle prévoit bien la valeur observée de α.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

In einer Feld- und Laboruntersuchung wird die Bildung, das Wachstum und die Fähigkeit zur Wellendämpfung von Eisbrei diskutiert. Die Feldbeobachtungen zeigen, dass sich Eisbrei unter kalten, windreichen Bedingungen sowohl in Rinnen wie in Tümpeln bildet. In Rinnen entsteht der Eisbrei im offenen Wasser und wird dann auf der Leeseite der Rinne zusammengetrieben; in Tümpeln sammelt eine Langmuir-Zirkulation den Eisbrei in langen Streifen parallel zum Wind. Im Labor wird der Eisbrei in einem Wellentank erzeugt; seine Eigenschaften der Wellendämpfung für zweidimensionale Wellen einer einzelnen Frequenz lassen sich messen. Im grossen ergibt sich, dass die Dicke des Eisbreis, die gegen die Rührstange hin abnimmt, durch das Gleichgewicht zwischen dem Fluss des Wellenmoments und der Neigung der freien Oberfläche bestimmt wird. Im kleinen zeigen unsere Photographien, dass die Kristalle, aus denen der Eisbrei besteht, Scheibchen von etwa 1 mm Durchmesser und 1–10 μm Dicke sind, die bei kleinen Scherraten in grössere Klumpen zusammenbacken und dadurch eine Zunahme der Viskosität bewirken. Diese nicht-lineare Viskosität wird über die Abnahme der Wellenamplitude zwischen zwei kritischen Entfernungen von der Führungskante gemessen. Die erste liegt dort, wo die Tiefe des Eisbreis den Wert k−1 überschreitet, wobei k die Wellenzahl bedeutet; die zweite, weitere Entfernung liegt an der Linie des Übergangs von flüssigem zu festem Verhalten, genannt die tote Zone. Zwischen diesen beiden Entfernungen nimmt die Wellenamplitude mit einem linearen Gefälle α ab, das mit (a 0 k)2 ansteigt, wobei a 0 die Amplitude des offenen Wassers bedeutet. Gleichzeitige Messungen der Eiskonzentration zeigen, dass diese von Werten zwischen 18 und 22% an der Führungskante auf ein lokales Maximum von 32 bis 44% an der toten Zone anwächst, während die Werte in der toten Zone nicht-linear mit a 0 k zunehmen. Schliesslich zeigen Vergleiche zwischen beobachteten α-Werten und solchen, die aus einem Viskositätsmodell bei Nachgiebigkeitsdruck berechnet wurden, dass dann, wenn der Nachgiebigkeitsdruck proportional zum Momentenfluss der einfallenden Welle ist, das Modell die beobachteten α-Werte richtig voraussagt.

Information

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

Fig.1. Oblique aerial photograph from 150 m of grease-ice formation in a large polynya south of Nome, 5 March 1978. See text for further discussion.

Figure 1

Fig.2. Aerial photograph from 147 m of grease-ice formation in a large polynya ; photograph measures 205 m across, and north is to the top. See text for discussion of arrows (photograph courtesy of NASA).

Figure 2

Fig.3. Landsat image of grease-ice formation in the polynya south of St Lawrence Island; the image width is 185 km; the pixel size is 70 m × 70 m.

Figure 3

Fig.4. Schematic diagram of the Langmuir circulation (adapted from Pollard, 1977).

Figure 4

Fig.5. Grease-ice formation in a small lead.

Figure 5

Fig.6. Close-up of the grease ice edge in Figure 5.

Figure 6

Fig.7. A schematic, side-view drawing of the apparatus.

Figure 7

Fig.9. Comparison of a composite side-view photograph of the grease ice in the tank with a drawing of the mean circulation in the grease ice. A tank support causes the gap in the composite photograph. See text for further discussion.

Figure 8

Fig.8. The probe circuitry: A, the conduclivity bridge; B, precision a.c.-to-d.c. converter; C, oscillator and power supply; D, eight-channel amplifier; E, eight-channel Brush recorder; F, digital voltmeter; G, x–y plotter.

Figure 9

Fig. 13 Side-view photographs of four wave-damping experiments at σ = 14.9 s−1, corresponding to the 24 May experiments in Table 1. A tank support causes the gap in each composite photograph; above each composite, the position of the open arrows mark the depth k−1; the dark arrows mark the dead zone. Paddle amplitude ranges from (a) 10 mm, (b) 11.5 mm, (c) 13 mm, (d) 14.5 mm.

Figure 10

Fig.10. Side-view photograph of the grease-ice surface. Line on surface at left is boundary between open water and grease ice; line at right is the dead zone.

Figure 11

Fig.11. Crossed-polaroid photographs of the grease-ice crystals; scale at left is in millimeters and photographs are 25 mm in height. (a) Sample from open water; (b) sample from grease ice.

Figure 12

Fig.15. Plots of wave amplitude and grease-ice thickness versus distance for σ = 10.7 s−1. Date of experiment and paddle amplitude are (a) 16 May, 21 mm, (b) 31 May, 24 mm, (c) 31 May, 27 mm, (d) 31 May, 30 mm. See also legend to Figure 14.

Figure 13

Fig.14. Plo ts of wave amplitude and grease-ice thickness versus distance for σ = 14.9 m−1 (the same cases as Figure 13). The left-hand vertical scale and the open circles show wave amplitude; the right-hand scale and the closed circles measured down from the top show grease-ice thickness. Vertical arrows to left show position of depth k−1; arrows to right show dead zone. Experiment date is 24 May, paddle amplitude is (a) 10.0 mm, (b) 11.5 mm, (c) 13.0 mm, (d) 14.3 mm.

Figure 14

Fig.12. Coordinate system for discussion of grease-ice pile-up.

Figure 15

Table I. Parameters of the wave-decay experiments

Figure 16

Fig.16. Log-log plot of α versus a0k for σ = 15.7 s−1 (□), 14.9 s−1 (◯)> 14.0 s−1 (Δ), 13.4 s−1 (■), 12.3 s−1(X ), σ = 11.s−1 (●) and 10.7 s−1 (▲). See text for additional description

Figure 17

Fig.17. Relative ice volume versus distance from dead zone for σ = 13.4 s−1 and these paddle amplitudes: 11.4 mm (●); 13.0 mm (▲); 14.5 mm (◯); 16.1 mm (Δ).

Figure 18

Fig.18. Relative ice volume versus distance from dead zone for σ = 11.5 s−1 and these paddle amplitudes: 17.7 mm (●), 20.9 mm (▲), 24.1 mm (◯), 27.2mm (Δ).

Figure 19

Fig.19. Schematic diagram of crystal platelet orientation for the case of high-amplitude wave decay. Short lines in grease ice are perpendicular to platelet c-axes.

Figure 20

Table II. Comparison of observed and calculated grease-ice thickness