A Quantitative Assessment of Dirt-Cone Dynamics

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Abstract
Quantitative investigations have been made of ice-cored dirt cones on Bersaerkerbræ in north-east Greenland. Experiments were also undertaken to evaluate field observations. Measurements included: maximum cone dimensions, sediment thickness and particle size, cone growth rates, slope angles and the temperature distribution within the debris layer and ice core. Particle size, which has not been stressed in previous studies, and related liquid consistency limits, appear as the dominant controls in cone formation, independent of debris thickness within the observed range of 10 mm to 125 mm. A threshold grain-size for dirt-cone inception was found, between 0.2 mm and 0.6 mm. The growth of cones was usually not more than 50% of the ablation over “clean” ice. Temperature measurements within dirt cones has enabled heat-flow studies to be made, evaluating the thermal conductivity of a sediment layer and the heat transfer involved in melting the ice core. A simple model of dirt-cone dynamics is proposed, characterized by negative feedbacks and describing a steady-state system. Résumé Des recherches quantitatives ont été faites de cônes de poussière (dirt-cones) à noyau de glace dans le Bersaerkerbræ dans le Nord-Est du Groenland. Des expériences furent aussi entreprises avec des cônes artificiels pour contrôler les observations sur le terrain. Les mesures comprennent: les dimensions des cônes, l’épaisseur des sédiments et la taille des particules, la vitesse de croissance du cône, l’angle de la pente, la distribution des températures à l’intérieur du niveau des débris et du coeur de glace. La taille des particules et la capacité limite de rétention des liquides qui en résulte semblent être le facteur dominant qui contrôle la formation des cônes, indépendant de l’épaisseur des débris à l’intérieur de l’éventail observé, soit de 10 à 125 mm. On a trouvé qu’il existait entre 0,2 et 0,6 mm une dimension-seuil des particules pour permettre la constitution des cônes. Le vitesse de croissance des cônes normalement n’était que 50% de la taille d’ablation sur la glace “nette”. Des mesures de températures à l’intérieur des cônes de poussière ont permis d’étudier les flux de chaleur, d’évaluer la conductivité thermique d’un niveau de débris et les transferts de chaleur mis en jeu dans la fusion du noyau de glace. On propose un modèle simple pour la dynamique des cônes de poussière, caractéristé par des rétroactions négatives et décrivant un système en état d’équilibre stable. Zusammenfassung Quantitative Untersuchungen an Schuttkegeln mit Eiskernen wurden am Bersaerkerbræ in NO-Grönland vorgenommen. Desgleichen wurden Versuche mit künstlichen Kegeln angestellt, um die Feldbeobactungen auszuwerten. Die Messungen erfassten: Dimensionen, Sedimentmächtigkeit und Teilchengrösse, Wachstumsgeschwindigkeit des Kegels, Temperaturverteilungen innerhalb der Schuttlage und des Eiskernes sowie Böschungswinkel. Die Teilchengrösse und die damit zusammenhängenden Grenzen für den Feuchtegehalt scheinen die entscheidenden Faktoren bei der Kegelbildung zu sein, unabhängig von der Schuttdicke innerhalb des beobachteten Bereichs von 10 mm bis 125 mm. Ein Schwellwert der Korngrösse für den Schuttkegelaufbau wurde zwischen 0.2 mm und 0.6 mm gefunden. Die Wachstumsgeschwindigkeit von Kegeln war am meistens unter 50% des Ablations in reinem Eis. Temperaturmessungen in den Schuttkegeln ermöglichten Wärmeflussuntersuchungen, wobei die Wärmeleitfähigkeit einer Sedimentschicht und der Wärmetransport beim Schmelzen des Eiskernes herangezogen wurden. Ein einfaches Modell der Dynamik von Schuttkegeln wird vorgeschlagen, das durch negative Rückkopplungen und Beschreibung eines stetigen Systems charakterisiert ist.

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