Ein Strahlungsempfänger mit kugelförmiger Empfängerfläche zur Bestimmung des Extinktionskoeffizienten in Gletschern

Zusammenfassung Zur Ermittlung des Extinktionskoeffizienten der Globalstrahlung im Gletscher, der für die innere Ablation von Bedeutung ist, wurde ein Strahlungsempfänger mit kugelförmiger Fläche gebaut. Dieses Gerät gewährleistet eine gleichmäßige Berücksichtigung der Streustrahlung aus allen Raumrichtungen. Die Empfindlichkeit des Gerätes ist in Verbindung mit einem Kipp-Spiegelgalvanometer (A70) groß genug, um im Gletscher Messungen bis 200 cm Tiefe durchzuführen. Das Gerät ist im Prinzip ein Thermoelement aus Vacoplus-Thermokonstantan, dessen Lötstelle die Übertemperatur einer kleinen Bleikugel (4 mm Durchmesser) mißt. Es werden Hinweise für die optimale Dimensionierung des Gerätes gegeben. Man erhält für die gemessenen Tiefen (20 bis 170 cm) im Gletscher einen Extinktionskoeffizienten der Totalstrahlung vom Betrage 0,0150/cm bis 0,0180/cm. Er ist von der Tiefe unabhängig und bestätigt damit die exponentielle Strahlungsabsorption für die Globalstrahlung.

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Summary A radiation receiver with a spherical surface was constructed to determine the extinction coefficient of the total radiation in a glacier. This coefficient is important in connexion with the inner ablation. The apparatus guarantees a uniform absorption of the diffuse radiation from all directions. Its sensitivity, when connected with a Kipp mirror galvanometer (A70), is large enough to carry out measurements within the glacier to a depth of 200 cm. In principle, the apparatus is a thermocouple consisting of Vacoplusthermoconstantan the soldered joint of which measures the relatively higher temperature of a lead sphere (4 mm diameter). Indications are given for optimal dimensions of the apparatus. At different depths within the glacier where measurements were made (20 to 170 cm) an extinction coefficient of the global radiation of 0,0150/cm to 0,0180/cm was found. The coefficient is independent on depth and confirms, thereby, the exponential absorption for total radiation.

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Résumé L'auteur a construit un récepteur sphérique pour évaluer le coefficient d'extinction du rayonnement global dans le glacier, coefficient dont la connaissance est importante pour le calcul de l'ablation interne. Cet instrument permet d'évaluer de façon uniforme le rayonnement diffus provenant de toutes les directions; sa sensibilité est suffisante pour effectuer, avec un galvanomètre à miroir de Kipp (A70), des mesures jusqu'à 200 cm. de profondeur dans le glacier. Il est constitué en principe par un thermocouple de Vacoplusthermoconstantan dont la soudure mesure l'excès thermique d'une petite boule de plomb (diamètre de 4mm). Indications concernant les dimensions les plus avantageuses de l'instrument. Les mesures faites de 20 à 170 cm. de profondeur fournissent un coefficient d'extinction du rayonnement global de 0,0150/cm. à 0,0180/cm. Il ne dépend pas de la profondeur et confirme ainsi l'allure exponentielle de l'absorption du rayonnement global.

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Mit 4 Textabbildungen     

Ein thermoelektrischer Strahlungsbilanzmesser zur Bestimmung der in oberflächennahen Eisschichten eines Gletschers absorbierten Strahlungsenergie

Zusammenfassung Zur Untersuchung der Abnahme der Strahlungsbilanz in den oberflächennahen Schichten eines Gletschers wurde ein thermoelektrischer Strahlungsbilanzmesser gebaut. Er hat eine Empfängerfläche von nur 7,5 mm Durchmesser. Durch seine kleine Ausführung wird eine fast störungsfreie Messung der Strahlungsbilanz in der Oberschicht des Eises möglich, woraus eine direkte Berechnung des Energieumsatzes in dieser Schicht erfolgen kann. Weiter werden einige Hinweise zur Berechnung der optimalen Drahtquerschnitte der zwischen den Empfängerflächen befindlichen Thermosäule gegeben.Die in reinem Gletschereis ausgeführten Strahlungsbilanzmessungen ergaben in der oberflächennahen Schicht (0 bis 20 cm) einen mittleren Extinktionskoeffizienten von 0,14 cm^–1. In Tiefen unter 20 cm ist der Extinktionskoeffizient konstant 0,0184 cm^–1. In 1 bis 2 cm Eistiefe sind bereits 50% des Energieangebotes an der Oberfläche absorbiert; in 10 cm Tiefe sind nur noch 10% der Oberflächenenergie vorhanden. Damit nimmt die Strahlungsbilanz in der Oberschicht etwas stärker ab als die Totalstrahlung, die mit einem kugelförmigen Empfänger gemessen wird.

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Summary A thermoelectric instrument was built to investigate the drop of radiation balance in the top ice layers of a glacier. The radiation sensitive area of the instrument has a diameter of no more than 7,5 mm and allows nearly undisturbed measurement of the radiation balance. The data obtained permit a direct calculation of the energy transformations taking place in these layers. Calculations are given of the optimum wire size for the thermoelectric elements between the two receiver plates.Measurements were made in pure glacier ice. The average extinction coefficient in the layers from 0 to 20 cm depth was found to be 0,14 cm^–1. Below that depth the extinction coefficient assumes a constant value of 0,0184 cm^–1. Half of the incident energy is absorbed in the first 1 or 2 cm. At a depth of 10 cm only 10 percent of the energy remain. Thus the radiation balance decreases somewhat more sharply than the short-wave radiation measured with a spherical receiver.

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Résumé On a construit un appareil de mesure thermoélectrique du bilan de rayonnement pour étudier la diminution de ce bilan dans les couches voisines de la surface d'un glacier. Il a une surface réceptrice d'un diamètre de 7,5 mm seulement; sa petitesse permet une mesure du bilan de rayonnement dans la couche superficielle de la glace sans y apporter de trouble essentiel, d'où résulte un calcul direct de l'échange d'énergie dans cette couche. On donne quelques indications concernant le calcul des sections les plus favorables des conducteurs de l'élément thermoélectrique placé entre les surfaces réceptrices.Les mesures faites dans la glace pure de glacier ont fourni pour la couche voisine de la surface (0 à 20 cm) un coefficient moyen d'extinction de 0,14 cm^–1; au-delà de 20 cm, le coefficient est constant et égal à 0,0184 cm^–1. A une profondeur de 1 à 2 cm, le 50% de l'énergie incidente est déjà absorbé, à une profondeur de 10 cm le 90%. Ainsi le bilan de rayonnement diminue dans la couche superficielle un peu plus rapidement que le rayonnement global mesuré par récepteur sphérique.

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Mit 4 Textabbildungen

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Dem Gedenken an Dr.Franz Sauberer gewidmet.     

Zur Lichtstreuung im Gletschereis

Zusammenfassung Der Extinktionsvorgang im Gletschereis wurde durch einen speziellen Ansatz berechnet, wobei besonders der Einflu? eines gerichteten Lichtstromes berücksichtigt wird. Zur numerischen Auswertung wurde die Streufunktion für in Eis eingeschlossene Luftblasen nach den Gesetzen der geometrischen Optik berechnet. Als Ergebnis erh?lt man eine Abh?ngigkeit der Albedo vom Zenitwinkel des gerichteten Lichtstromes, eine Tiefenabh?ngigkeit des Verh?ltnisses Unterlicht zu Oberlicht und eine Tiefenabh?ngigkeit des Extinktionskoeffizienten der Lichtstr?me in einer Randschicht.

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Summary Estinction in glacier ice has been evaluated by a special set of equations which especially take into consideration the influence of a directed light flux. For the numerical calculations the dispersion function for air bubbles inclosed in the ice has been evaluated according to the laws of geometrical optics. As results one gets the dependence of the albedo on the zenith-angle of the oriented light flux, the dependence of the ratio between light from above and from below, and of the extinction coefficient of the light fluxes in a boundary layer on the depth below the glacier surface.

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Résumé On a calculé les phénomènes d'extinction dans la glace d'un glacier par une équation spéciale. Pour ce faire, on a tenu compte en particulier de l'influence subie par un flux lumineux dirigé. Dans l'évaluation numérique, on a calculé la dispersion provoquée par les bulles d'air englobées dans la glace et cela selon les lois de l'optique géométrique. On obtient, comme résultats: une relation entre l'albedo et l'angle au zénith du flux lumineux dirigé; une relation entre la lumière provenant du bas d'une part, du haut d'autre part et cela en fonction de la profondeur; ainsi qu'une relation entre la profondeur et le coefficient d'extinction du flux lumineux dans une couche marginale.

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Mit 6 Textabbildungen     

Über die Eichung des Strahlungsbilanzmessers nach R. Schulze (Lupolengerät)

Zusammenfassung Der Eichfaktor des Strahlungsbilanzmessers nachR. Schulze (Lupolengerät) wurde für den langwelligen Spektralbereich durch zwei voneinander unabhängige Verfahren bestimmt. Die Übereinstimmung der Ergebnisse wird als Bestätigung dafür gewertet, daß in der gewählten Eichmethode keine systematischen Fehler enthalten sind. Als Ergebnis erhält man, daß der Eichfaktor für langwellige Strahlung bei den verwendeten Lupolenhauben um den Faktor 1,32 bis 1,58 größer ist als der vor Sonne bestimmte Wert.

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Summary The long-wave calibration factor of the net radiometerSchulze (lupolen-cover) was determined by two independent methods. The agreement in the results obtained is considered as a confirmation that the methods used are free of systematic errors. The calibration factor for long-wave radiation exceeds the one for short-wave radiation by a factor of 1.32 to 1.58, depending on the properties of the lupolen foils.

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Résumé Le facteur d'étalonnage du bilanmètre de rayonnement d'aprèsR. Schulze (à hémisphère de lupolène) a été déterminé selon deux méthodes différentes et indépendantes, pour les longues ondes du spectre. Le fait que les résultats obtenus concordent est interprété comme la confirmation de l'absence d'erreurs systématiques dans les méthodes d'étalonnage. En conclusion, on obtient un facteur d'étalonnage pour les longues ondes qui est de 1,32 à 1,58 plus grand sous les hémisphères de lupolène qu'en plein soleil.

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Mit 11 Textabbildungen     

Ein Beitrag zur Kenntnis der Lichtstreuung im Gletschereis

Zusammenfassung Für das Studium des Energieumsatzes im Gletschereis ist es wünschenswert, genauen Aufschluß über die Strahlungsextinktion im Eis zu erhalten. Die Strahlungsenergie wird nicht zur Gänze auf der Gletscheroberfläche absorbiert, sondern sie dringt, einem bestimmten Extinktionsgesetz folgend, in tiefere Schichten ein. Um die Gesetzmäßigkeiten zu erfassen, sind neben direkten Untersuchungen in den obersten Eisschichten auch Messungen an Eisplatten von Interesse, weil dadurch der spektrale Verlauf des Extinktionskoeffizienten vorzüglich bestimmt werden kann und sich neue Aufschlüsse über den Streuvorgang im Eise ergeben. Der spektrale Verlauf des Extinktionskoeffizienten zeigt im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums unterhalb 450 m einen annähernd konstanten Betrag und wächst im langwelligen Teil stark an. So erhält man bei 700 m etwa den 1,6fach größeren Betrag als bei 400 m. Messungen mit ausgeblendeten Öffnungswinkeln verschiedener Größe geben neuen Aufschluß über die Umsetzung des gerichteten Lichtes in Streulicht, die hauptsächlich durch den starken Luftblasengehalt des Eises verursacht ist. Die numerischen Werte des bereits früher eingeführten Zerstreuungskoeffizienten schwanken wegen des wechselnden Luftgehaltes zwischen 0,92/cm und 1,66/cm. Bemühungen, den Extinktionskoeffizienten auch aus der Abhängigkeit der Plattenalbedo von der Eisdicke zu ermitteln, führen zu Formeln, durch die der Verlauf der Plattenalbedo im Prinzip einwandfrei wiedergegeben wird. Durch Anwendung einer vonDunkle undGier entwickelten Theorie kann auch der Einfluß de Totalreflexion an den Plattenflächen auf den Extinktionskoeffizienten ermittelt werden. Gleichzeitig erhält man neuen Aufschluß über methodische Fehler bei der Ermittlung des Extinktionskoeffizienten aus Plattenmessungen. Nach Auswertung von Messungen der Strahlungsextinktion in den obersten Eisschichten mittels eines kugelförmigen Strahlungsempfängers können dann Aussagen über den Energieumsatz im Eise gemacht werden.

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Summary A study on the energy balance in glacier ice requires exact knowledge of the extinction of radiation within ice. The radiation energy is not entirely absorbed on the surface of the glacier, it penetrates into deeper layers according to a certain extinction law. To ascertain these relations measurements on ice plates, beside direct investigations in the uppermost ice layers, are important because, thereby, the spectral distribution of the extinction coefficient can be determined excellently and new insight into diffusion within ice can be obtained. The spectral distribution of the extinction coefficient shows an approximately constant value in the short-wave range of the visible spectrum (below 450 m) and a strong increase in the long-wave part. Thus, the value obtained at 700 m is 1.6fold greater than that at 400 m. Measurements with different apertures give new information on the transformation of directed light into diffuse light principally caused by the many air-bubbles within the ice. The numerical values of the diffusion coefficient lie, due to the varying air contents, between 0,92/cm and 1,66/cm. Attempts to derivate the extinction coefficient also from the relation between plate albedo and the thickness of the ice lead to formulas representing in correctly the principle distribution of the plate albedo. Also the influence of the total reflexion by the surfaces of the plates on the extinction coefficient can be determined by applying a theory developped byDunkle andGier. At the same time, new insight into methodical errors of the determination of the extinction coefficient from plate measurements is won. From the evaluation of measurements of the extinction of radiation in the uppermost ice layers by means of a spherical radiation receiver conclusions can be drawn as to the energy balance in ice.

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Résumé L'étude de l'échange d'énergie dans la glace de glacier exige la connaissance de l'extinction du rayonnement dans celle-ci. L'énergie de rayonnement n'est pas absorbée entièrement à la surface du glacier, mais elle pénètre dans la glace en obéissant à une certaine loi d'extinction. Pour connaître cette loi, il convient non seulement d'effectuer des recherches dans les couches superficielles de la glace naturelle, mais encore d'utiliser des plaques de glace grâce auxquelles on peut établier le coefficient d'extinction en fonction du spectre et se renseigner sur la diffusion dans la glace. Dans le domaine spectral en-dessous de 450 m le coefficient est à peu près constant pour croître ensuite rapidement dans le domaine à plus grandes longueurs d'onde; il est 1,6 fois plus élevé à 700 m qu'à 400 m. Des mesures avec diaphragmes divers renseignent sur la transformation de la lumière dirigée en lumière diffuse provoquée essentiellement par la présence de bulles d'air. La valeur numérique du coefficient de diffusion varie entre 0,92/cm. et 1,66/cm. selon la teneur en air. En essayant de déterminer le coefficient d'extinction en partant de l'albédo des plaques et de sa dépendance à l'égard de l'épaisseur, on arrive à des formules rendant exactement la variation de cette albédo. La théorie deDunkle etGier permet de déterminer l'effet de la réflexion totale sur le coefficient d'extinction. On obtient en même temps des informations sur les erreurs méthodiques en déterminant le coefficient d'extinction à partir de mesures avec des plaques de glace. Les mesures de l'extinction de rayonnement dans les couches superficielles de la glace à l'aide d'un récepteur sphérique permettent des conclusions sur la transformation de l'énergie dans la glace.

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Mit 14 Textabbildungen     

Studies on vertical total-beta-activity profiles of fission products in the accumulation area of the Stubacher Sonnblickkees (Hohe Tauern,Salzburg, Austria)

Summary In the years of 1965 and 1966 continuous vertical sets of samples were bored from pits comprising the uppermost perannual snowcover in the accumulation area of the Stubacher Sonnblickkees (Hohe Tauern, Salzburg, Austria). The total-beta-activity of the samples was measured in order to study the changes of the vertical distribution of fission products by summerly melting processes. An enrichment of fission products was found in the layer under the late, summer horizon. However, the weak activity of the layer underneath accumulated during the winter period is hardly influenced by meltwater percolation from the superimposed layer with high activity.An 11.75 m deep firn pit covers, the annual layers of net accumulation from 1960/61 to 1965/66. The most remarkable activity variation of the entire total-beta-activity profile of this pit is a maximum at the coinciding late summer horizons of 1962 and 63. This activity maximum proves that mass budget years with heavy fission product debris and high melting conditions cause a strong enrichment and high retention of the remaining layer for fission products. It can be assumed that this characteristic feature of the vertical activity distribution will be also found on neighboring glaciers in the region of the Mittlere Hohe Tauern. Because its relatively long time stability it is especially interesting for future dating purposes.Moreover, it was found that the period from 1961/62 to 1963/64 shows a high fission product activity in contrast to the low radioactive period from 1964/65 to 1965/66. This behavior of the firn activity is in agreement with the one of the air and the precipitation during these years. The characteristic changes of the total-beta-activity of the firn at the late summer horizon of 1964 can be also used for dating purposes.

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Zusammenfassung In den Jahren 1965 und 1966 wurden im Akkumulationsgebiet des Stubacher Sonnblickkees, (Hohe Tauern, Salzburg) aus Schneeschächten kontinuierliche Probenserien entnommen, welche die Akkumulation des laufenden hydrologischen Jahres erfassen. Die Proben wurden auf Gesamt-Beta-Aktivität untersucht, um die Veränderung der Vertikalverteilung der Spaltprodukte durch sommerliche Abschmelzvorgänge zu studieren. Als Ergebnis zeigt sich eine Spaltproduktanreicherung der Schicht unter dem Spätsommerhorizont, wobei jedoch die geringe Aktivität der darunterliegenden Winterschicht durch Einsickern von Schmelzwasser aus der darüberliegenden stark mit Spaltprodukten angereicherten Schicht kaum beeinflußt wird.Ein 11.75 m tiefer Firnschacht umfaßt die Jahresrücklagen von 1961/60 bis 1965/66. Als hervorstechendstes Merkmal der Vertikalverteilung der Gesamt-Beta-Aktivität ergibt sich ein Maximum an den zusammenfallenden Spätsommerhorizonten 1962 und 1963. Dieses Aktivitätsmaximum zeigt, daß in Haushaltsjahren mit starkem Fallout und starker Abschmelzung eine beachtliche Anreicherung sowie ein gutes Retentionsvermögen der verbleibenden Schicht für Spaltprodukte auftreten. Dieses charakteristische Aktivitätsmerkmal kann auch auf benachbarten Gletschern im Gebiet der Mittleren Hohen Tauern erwartet werden. Zufolge der guten Stabilität dieses Merkmals ist es für künftige Datierungszwecke besonders interessant.Weiters weist die Periode von 1961/62 bis 1963/64 hohe Spaltproduktaktivitäten im Gegensatz zur Periode 1964/65 bis 1965/66 auf. Dieses Ergebnis stimmt auch mit dem Verlauf der Luft-und Niederschlagsaktivität in den entsprechenden Jahren überein. Die charakteristische Abnahme der Gesamt-Beta-Aktivität des Firns über dem Spätsommerhorizont 1964 kann ebenfalls für Datierungszwecke verwendet werden.

     

Untersuchungen des Energiehaushaltes und des freien Wassergehaltes beim Abbau der winterlichen Schneedecke

Zusammenfassung Energiehaushalt und freier Wassergehalt beim Abbau der winterlichen Schneedecke wurden in einer 64tägigen Meßreihe untersucht. Zur Messung des freien Wassergehaltes wurde ein neu entwickeltes Gerät verwendet. Das Prinzip des Gerätes beruht auf der Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten des feuchten Schnees. Die Ergebnisse zeigen, daß eine Änderung des freien Wassergehaltes zwischen Beginn und Ende einer Meßperiode beim Studium des Energiehaushaltes berücksichtigt werden muß. Eine 1 m dicke Schneeschicht verbraucht zur Vermehrung des freien Wassers um 5 Volumprozent 400 cal/cm². Für eine 10tägige Meßperiode ist dieser Betrag etwa das Doppelte des fühlbaren und latenten Wärmestromes und etwa 70% der langwelligen Strahlungsbilanz. Der vollständige Energiehaushalt wurde für die 44tägige Ablationszeit berechnet, wobei der Unterschied zwischen berechneter und gemessener Ablation 4,8% beträgt. Zum Vergleich wurden die Komponenten des Energiehaushaltes auch für eine 20tägige Periode ohne Schmelzung ermittelt, wobei sich der große Einfluß der hohen Albedo deutlich zeigt.

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Summary The author has investigated the heat balance and contents of free water during the ablation of the snow-cover of the winter in a 64-day series of measurements. For the measurement of the free water content a new device has been developed. The principle of this instrument is based on the determination of the dielectric constant of the wet snow. The results show that a variation of the proportion of free water between the beginning and the end of a period of measurements has to be taken into consideration. To increase the proportion of free water by five per cent of the volume a snow cover crease the proportion of free water by five per cent of the volume a snow cover of 1 m thickness needs 400 cal/cm². For a 10-day period of measurements this amount equals twice the flow of sensible and latent heat or 70 per cent of the long wave net radiation. The complete heat balance for the ablation time which had a duration of 44 days has been computed. The difference between computed and observed ablation amounts to 4.8 per cent. As a counterpart the components of the heat balance were computed for a 20-day period without melting, too, which showed the large influence of the high albedo.

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Résumé En se basant sur une série de mesures s'étendant sur 64 jours, on a examiné le bilan d'énergie et le contenu d'eau libre d'une couche de neige d'hiver dans l'état de disparition. On a utilisé un appareil nouveau pour mesurer la teneur en eau libre. Le principe de cet appareil repose sur la détermination de la constante diélectrique de la neige humide. Les résultats obtenus montrent qu'il faut tenir compte d'une modification de la teneur en eau libre entre le début et la fin d'une période de mesure lors de l'étude des bilans d'énergie. Une couche de neige de 1 m d'épaisseur a besoin de 400 cal/cm² pour une augmentation de 5% en volume du taux de l'eau libre. Pour une période de mesure de 10 jours, cela représente environ le double du flux de chaleur sensible et latent ainsi qu'à peu près 70% du bilan radiatif à longues ondes. On a calculé le bilan d'énergie complet pour une période d'ablation de 44 jours. La différence entre l'ablation calculée et l'ablation mesurée n'est que de 4,8%. A titre de comparaison, on a déterminé les composantes du bilan d'énergie pour une période de 20 jours sans fonte de neige. On constate alors très nettement l'influence déterminante de l'albédo élevé.

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Mit 4 Textabbildungen