The Drift of Sea Ice

Cover......Page 1
Springer Praxis Books / Geophysical Sciences......Page 2
The Drift of Sea Ice, Second Edition......Page 4
ISBN 9783642046827......Page 5
Contents......Page 6
Preface to the first edition......Page 12
Preface to the second edition......Page 16
Figures......Page 18
Tables......Page 24
Symbols......Page 26
Abbreviations......Page 30
1 Introduction......Page 33
2.1 SEA ICE COVER......Page 43
2.1.1 Sea ice landscape......Page 44
Age of ice......Page 45
Openings in ice cover......Page 48
2.1.2 Sea ice zones......Page 49
2.1.3 Sea ice charting......Page 50
2.2.1 Scales......Page 53
Drift ice particles......Page 55
Floe size distribution......Page 57
Floe information in drift ice mechanics......Page 62
2.3.1 Freezing of seawater......Page 64
2.3.2 Ice growth......Page 65
2.3.3 Melting of sea ice......Page 71
2.3.4 Numerical modelling of ice thermodynamics......Page 74
2.4.1 Mechanical ice growth......Page 77
2.4.2 Measurement methods......Page 79
2.4.3 Ice thickness distribution......Page 82
2.5.1 Structure of ridges......Page 85
2.5.2 Statistical distributions of ridge size and occurrence......Page 88
Ridge spacing......Page 89
2.5.3 Ridging measures......Page 90
2.5.5 Total thickness of deformed ice......Page 92
2.6 DRIFT ICE STATE......Page 93
3.1 DESCRIPTION OF ICE VELOCITY FIELD......Page 97
3.1.1 Motion of a single floe......Page 98
Strain and rotation......Page 99
Strain-rate and vorticity......Page 101
3.2.1 Methods......Page 105
3.2.2 Characteristics of observed sea ice drift......Page 110
The 10-km scale......Page 117
3.2.4 Deformation structures......Page 121
3.3.1 Two-dimensional motion using complex variables......Page 123
3.3.2 Mean sea ice drift field in the Arctic Ocean......Page 124
3.3.3 Diffusion......Page 125
3.3.5 Self-correcting simple forecasting......Page 126
3.4 CONSERVATION OF ICE......Page 128
3.4.1 Ice states based on ice categories......Page 130
3.4.2 Ice thickness distribution......Page 132
Derivation......Page 133
Pure divergence and convergence......Page 135
General strain-rate......Page 136
4.1 GENERAL......Page 139
4.1.1 Rheological models......Page 141
4.1.2 Internal stress of drift ice......Page 144
4.1.3 Internal friction......Page 146
4.2.1 Linear viscous model......Page 148
4.2.2 Nonlinear viscous model......Page 150
4.3.1 Plastic drift ice......Page 152
4.3.2 Mohr–Coulomb rheology......Page 157
4.3.3 AIDJEX elastic–plastic rheology......Page 158
4.3.4 Hibler\'s viscous–plastic rheology......Page 160
4.4 GRANULAR FLOE COLLISION MODELS......Page 164
4.5 SCALING OF ICE STRENGTH......Page 168
5.1.1 Fundamental equation......Page 175
5.1.2 Vertical integration......Page 178
Equation of motion on the sea surface plane......Page 179
Vertical equation of motion......Page 181
5.1.3 Drift regimes......Page 182
5.1.4 Conservation of kinetic energy, divergence and vorticity......Page 183
5.2.1 Planetary boundary layers......Page 185
Ekman layer......Page 187
Surface layer......Page 188
Stratification......Page 189
Drag force formulae......Page 190
5.2.2 Atmospheric drag force on sea ice......Page 192
Neutral stratification......Page 193
Non-neutral stratification......Page 195
5.3.1 Oceanic boundary layer beneath drifting ice......Page 196
5.3.2 Monin-Obukhov model......Page 201
5.3.3 Second order turbulence model......Page 203
5.3.4 Shallow waters......Page 205
5.4.1 Magnitudes......Page 206
Scale ranges......Page 208
Parameters......Page 209
5.4.2 Dimensionless form......Page 210
Stationary ice......Page 213
5.4.3 Basin scales......Page 214
5.5 DYNAMICS OF A SINGLE ICE FLOE......Page 215
6.1 STEADY STATE SOLUTION......Page 217
Free drift of thin ice......Page 219
General solution......Page 220
6.1.2 One-dimensional channel flow......Page 223
6.1.3 Shallow waters......Page 225
6.1.4 Linear model......Page 226
6.2.1 One-dimensional flow with quadratic surface stresses......Page 227
Tidal ice flow......Page 228
6.2.3 Drift of a single floe......Page 229
6.3.1 General solution......Page 232
6.3.2 Inertial oscillations......Page 234
6.4.1 Periodic forcing......Page 237
6.4.2 Free drift velocity spectrum......Page 238
6.4.3 Nonlinear questions......Page 239
6.5.1 Advection......Page 242
6.5.2 Divergence and vorticity......Page 243
7.1.1 Consequences of internal friction......Page 245
7.1.2 Examples......Page 247
7.1.3 Landfast ice problem......Page 251
7.2 CHANNEL FLOW OF SEA ICE......Page 253
7.2.1 Creep......Page 254
7.2.2 Plastic flow......Page 255
Ice–ocean coupling......Page 257
7.3.2 Dynamics of the relaxation process......Page 258
7.4 ZONAL SEA ICE DRIFT......Page 262
7.4.1 Steady-state velocity: wind-driven case......Page 264
7.4.2 Steady-state with ocean currents......Page 267
7.4.3 Steady-state ice thickness and compactness profiles......Page 268
7.4.4 Viscous models......Page 270
7.4.5 Marginal ice zone......Page 271
7.4.6 Circular ice drift......Page 273
7.5.1 Drift ice dynamics in a tank......Page 277
7.5.2 Case study......Page 280
7.6.1 Frequency spectrum of sea ice drift......Page 283
7.6.2 Spatial structures......Page 285
7.6.3 Downscaling......Page 287
8.1.1 System of equations......Page 291
Eulerian/Lagrangian frames......Page 294
Grid......Page 295
Initial and boundary conditions......Page 296
Numerical integration......Page 297
8.2.1 Campbell and Doronin models......Page 299
8.2.2 AIDJEX model......Page 301
8.2.3 Hibler model......Page 302
8.2.4 Baltic Sea model......Page 305
8.3.1 Research work......Page 307
8.3.2 Sea ice forecasting......Page 310
Baltic Sea......Page 311
Arctic seas......Page 313
Local forecasting......Page 315
8.4.1 General......Page 316
8.4.2 Runner-4 oil spill in the Gulf of Finland......Page 317
8.4.3 Oil spill modelling in ice-covered waters......Page 319
8.5.1 Arctic regions......Page 321
8.5.3 Baltic Sea......Page 323
8.5.4 Future projections with sea ice climate models......Page 326
9.1 SCIENCE......Page 331
9.2 PRACTICE......Page 336
9.3 FINAL COMMENTS......Page 338
CHAPTER 2......Page 341
CHAPTER 4......Page 342
CHAPTER 6......Page 343
CHAPTER 7......Page 344
CHAPTER 2......Page 345
CHAPTER 3......Page 346
CHAPTER 5......Page 347
CHAPTER 7......Page 348
CHAPTER 8......Page 349
11 References......Page 351
Index......Page 371