On the mass and heat budget of arctic sea ice

SummaryMeasurements during the drift of “US Drifting Station A” show an annual mass increase of old ice consisting of 12.5 g/cm2 snow and 52 g/cm2 bottom accretion. During the summer seasons 1957 and 1958 an amount of 19.2 and 41.4 g/cm2 respectively, was lost by surface ablation. The ratio of ablation on elevated “dry” surface and in meltwater ponds is 1:2.5. The average pond area was about 30%. Bottom ablation by heat transfer from the ocean was found to be 22 cm (July to Aug./Sept.).Methods of measuring mass changes are described. In view of their importance as a means of checking the computed heat budget their accuracy is discussed in detail.The heat budget is computed for a selected period during the height of the melt season. The average daily totals are, in cal/cm2: +142 from net short wave radiation −8 from net long wave radiation, +9 from turbulent heat transfer, and −11 from evaporation. The mean daily surface ablation is 0.8 cm. About 90% of it is due to the absorption of short wave radiationOnly 62% of the total heat supply are transformed at the surface. 38% are transmitted into the ice and mainly used to increase the brine volume. The vertical distribution of this energy was used to compute the extinction coefficient for short wave radiation. From 40 to 150 cm depth it is 0.015 cm−1, somewhat smaller than that of glacier ice.The heat used during the summer to increase the brine volume in the ice acts as a reserve of latent heat during the cooling season. By the time an ice sheet of 300 cm thickness reaches its minimum temperature in March, 3000 cal/cm2 have been removed to freeze the brine in the interior of the ice and the meltwater ponds, and 1700 cal/cm2 to lower the ice temperature. Based upon the observed mass and temperature changes the total heat exchange at the upper and lower boundary is estimated. During the period May–August the upper boundary received 8.3 kcal/cm2, while during the period September–April 12.8 kcal/cm2 were given off to the atmosphere. The results are compared with those ofYakovlev, and considerable disagreement is found with respect to the amounts of heat involved in evaporation and in changes of ice temperature (“heat reserve”).ZusammenfassungBeobachtungen während der Drift von “US Drifting Station A” zeigen an altem Eis einen jährlichen Massenzuwachs von 12,5 g/cm2 Schnee und 52 g/cm2 Eis an der Unterseite. Während der Schmelzperioden 1957 und 1958 betrug der Massenverlust an der Oberseite 19,2 bzw. 41,4 g/cm2. Das Verhältnis der Ablation auf „trockenen” Eisflächen zu der in Wassertümpeln beträgt etwa 1:2,5. Etwa 30% der Gesamtfläche werden im Sommer von den Wassertümpeln eingenommen. Die Ablation an der Unterseite durch Wärmezufuhr vom Meer betrug etwa 22 cm (Juli bis August/September).Die Methoden der Messung des Massenhaushalts werden beschrieben. In Anbetracht ihrer Bedeutung als Kontrolle des berechneten Wärmehaushalts wird ihre Genauigkeit näher untersucht.Die Wärmebilanz der Eisoberfläche wird für einen ausgewählten Zeitraum während des Maximums der Ablationsperiode berechnet. Es ergeben sich folgende mittlere Tagessummen in cal/cm2: +142 kurzwellige Strahlungsbilanz, −8 langwellige Strahlungsbilanz, +9 Konvektionswärmestrom. −11 Verdunstung. Die mittlere tägliche Oberflächen-Ablation betrug in dieser Zeit 0,8 cm. Etwa 90% davon werden durch Absorption kurzwelliger Strahlung verursacht.Nur 62% des gesamten Wärmeangebotes werden an der Oberfläche umgesetzt. 38% gelangen in tiefere Schichten und werden dort hauptsächlich zur Vergrößerung des Volumens der Salzlösung verwendet. Die vertikale Verteilung dieser Energie wird zur Berechnung des Extinktionskoeffizienten für kurzwellige Strahlung herangezogen. In einer Tiefe von 40 bis 150 cm ergibt sich ein Wert von 0,015 cm−1, etwas weniger als in Gletschereis.Die Wärmemenge, welche im Sommer zur Erhöhung der Eistemperatur und der damit verbundenen Vergrößerung des Volumens der Salzlösung aufgewendet wurde, dient während der Abkühlungsperiode als Wärmereserve. Von ihrem Beginn bis zur Erreichung minimaler Eistemperaturen in März werden einer 3 m dicken Eisdecke 3000 cal/cm2 an latenter Wärme (Verkleinerung des Volumens der Salzlösung und Gefrieren der Schmelzwassertümpel) und 1700 cal/cm2 mit der reinen Temperaturerniedrigung entzogen. Auf Grund der beobachteten Massen- und Temperaturänderungen der Eisdecke wird der gesamte Wärmeumsatz an ihren Grenzflächen abgeschätzt. Während der Periode Mai bis August erhält die Oberfläche des Eises 8,3 kcal/cm2 während in der Periode September bis April 12,8 kcal/cm2 an die Atmosphäre abgegeben werden. Die Resultate werden mit denen vonYakovlev verglichen, wobei sich beträchtliche Unterschiede in den Beträgen der Verdunstung und der Wärmereserve der Eisdecke ergeben. Im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Beträgen der Wärmereserve wird die spezifische Wärme des Meereises näher diskutiert.RésuméLes observations faites lors de la dérive du “US drifting station A” font apparaître un accroissement annuel de masse de la banquise de 12,5 g/cm2 sous forme de niege et de 52 g/cm2 par congélation à la base. Pendant les périodes de fonte de 1957 et de 1958, la perte de masse à la surface fut de 19,2 et 41,4 g/cm2 respectivement. Le rapport de l'ablation sur la glace “sèche” à celle des flaques est de 1:2,5. Les flaques occupent en été env. 30% de la surface totale. L'ablation à la face inférieure de la banquise par la chaleur de l'eau fut d'environ 22 cm (Juillet à août/septembre).On décrit les méthodes de mesure du bilan de masse et leur précision. On calcule ce bilan de chaleur à la surface au moment du maximum d'ablation et on en donne les composantes suivantes pour les sommes journalières moyennes en cal/cm2: bilan radiatif de courte longueur d'onde +142, bilan radiatif de grande longueur d'onde −8, flux de convection +9, évaporation −11. L'ablation superficielle moyenne est de 0,8 cm par jour dont 90% résulte de l'absorption du rayonnement à courte longueur d'onde.Le 62% seulement de l'apport de chaleur est transformé à la surface de la glace; le 38% pénètre en profondeur et sert surtout à accroître le volume du mélange salin. A une profondeur de 40 à 150 cm le coefficient d'exctinction pour le rayonnement court est de 0,015 cm−1, plus faible que dans le glacier terrestre.La quantité de chaleur accumulée en été sert de réserve pendant la période froide pour élever la température de la glace et pour augmenter le volume de la solution saline. Du début de celle-ci jusqu'au minimum des températures en mars, une couche de 3 m d'épaisseur perd 3000 cal/cm2 en chaleur latente et 1700 cal/cm2 par chute de température. Il est possible d'estimer le bilan total de chaleur des surfaces de la glace à l'aide des variations observées de masse et de température. Pedant la période de mai à août, la surface de la glace reçoit 8,3 kcal/cm2, tandis qu'elle cède à l'air 12,8 kcal/cm2 de septembre à avril. Les résultats obtenus diffèrent de ceux deYakovlev dans les quantités de l'évaporation et de la réserve calorifique de la glace. Discussion au sujet de la chaleur spécifique de la glace de banquise.