OPPDRAGSRAPPORT Dato: Rapportens ti tiel : Rapporten er: Apen. Opplag: 75. Mike Kennett, Brekontoret Arne C. Sætrang, Brekontoret

Transkript

1

2 OPPDRAGSRAPPORT Rapprtens ti tiel : ISTYKKEISESMÅLINGER pa FOIflEFONNA Dat: Rapprten er: Apen Opplag: 75 SaksbP~er/Frfatter: Mike Kennett, Brekntret Arne C. Sætrang, Brekntret Oppdragsgi ver: L/L SUNNHORDLAND KRlfFTI.JJ[; Sarrmendrag: Rapprten beskriver metde g resultater fra istykkelsesnå1inger med breradar (radi-ekk) på Blansterskarsbreen g Sauabreen. Målingene ble gjrt i mars 1987 med en 8 MHz pulsradar g med navigasjn ved hjelp av en kanbinasjn av landnåling, distansanåling g ftgrafering av spr fra helikpter. Tilsarrmen 15 km prfiler ble kjørt på Blansterskarsbreen g 5 km på Sauabreen. Resultatene er vist i fig. 5 g fig. 6.

3 FORORD Freliggende rapprt er avslutnmq pa beslilhng ( ) fca LlL Sunnhrdland Kraftlaq. Frmålet fr arbeidet var målinq av istykkelse ver planlagte verføringstunnel traseer fr å sikre at tunnelene Ikke bhr slått ut i isen. AvdelingsingenIør Arne Chr. Sætrang har vært hvedansvarhg fr planlegging g gjennmføring a v feltarbeidet. Snøscterene var utlånt av LlL Sunnhrdland Kraftlag. Avdehngsingemør Mike Kennett har vært hvedansvarlig fr tlkning av dataene g utarbeidelse a v denne rapprten. Osl, nv("}mber 1987 Arne Tllar Avdelingsdirekt ~r

4 INNHOLD Side 1. INNLEDNING 3 2. FELTARBEIDET 4 3. GLASIOLOGISKE FORHOLD Radarbølgens hastighet Radarbølgens frekvens Bresprekker g hulrm 5 4. BEARBEIDING AV DATA FRA FELT Ferdskurver Høydekurver Radarkurver 8 5. RESULTAT 9 6. KONKLUSJON REFERANSER 12

5 3 L INNLEDNING Instrumenter g metder fr radi--'ekk målinger ble utviklet i slutten av 1950 g begynnelsen av 1960 årene p.g.a. behvet fr rask, nøyaktig g kntinuerlig måling av lsbreers tykkelse mrewry, 1981). Målinger ble utført på plare breer <Evans g Smith, 1969>, men det tk mange år før teknikken kunne benyttes på tempererte breer (Watts m.flere, 1975). Brekntret anskaffet l 1981 en islandsk Mark Il breradar (Sverrisn m. flere, 1980). Enkle målepplegg ble gjennmført på Bndhusbreen, Steghltbreen g Nigardsbreen frem til Etter dette ble mer systematiske målemetder benyttet. I 1984 q 1985 ble det utført subglasial kartlegging med breradar på midtre Jstedalsbreen. Kartet sm er publisert dekker et 60 km2 slrt mråde g benytter seg gså av feltmålingene fra 1981 (Sætrang g Wld, 1986; Sætran~, 1986). I 1986 ble subglasial tpgrafi av Svartisen (85 km) g nrdre del av Jstedalsbreen (50 km2) kartlagt med breradar (Sætrang g Hlmqvist, 1987>. Den 12. mars 1987 ble den islandske breradar brukt fr å måle istykkelse på Blmsterskarsbreen g Sauabreen. Denne rapprten beskriver metden g resultatene fra Flgefnna (fig. V. 66'15'N j '' 'N 6'E 6' 30' E 6'15'E Fig. 1. De undersøkte mrådenes beliggenheter på Flgefnna: (a) Blmsterskarsbreen g (b) Sauabreen.

6 4 Observasjner med breradaren består a v registreringer a v en utsendt elektrmagnetisk bølgepuls sm går gjennm isen g reflekteres fra grenseflater mt bl.a. fjell, luft g vann p.g.a. disse medienes frskjellige elektriske ledningsevne. Gangtiden mellm utsendt puls g innkmmet refleks blir målt, g avstanden til det reflekterende punktet (fr eksempel berggrunnen under breen) kan beregnes (fig. 2J. Reflekser kan på enkelte mråder av breen være lette å bservere, mens det på andre mråder kan være svært dårlig refleks. Spesielt i kupert terreng g sprekkemråder kan det være så mange ulike reflekser at de skygger ver hverandre g gjør det vanskelig å definere bunnrefleksen. Mttageren g senderen taues bak en snøscter i pptil 40 kmll. Det finnes idag ingen andre målemetder enn radi-ekk snderinger fr å måle istykkelse ver stre mråder på krt tid. Transmitter Fig. 2. Direkte g reflektert bølge i et tenkt tverrsnitt. 2. FELTARBEIDET Feltmålingene består av tre typer måling; navigasjn (X g y), høydemåling <Z) g istykkelsesmåling <D). Istykkelsesmålingene på Blmsterskarsbreen g Sauabreen ble fretatt med breradar g analge signaler ble registrert på 35 mm negativ film fr hver 2,56 m langs prfilet. Breradaren var kblet til et dmeterhjul sm målte avstand langs prfilet g styrte bildefremtrekket slik at ett bilde tilsvarte 800 m prfillengde. Målingene fregikk den 12. mars 1987 g det ble kjørt 20 km prfiler tilsammen. Prfiler ble merket med staker. På Blmsterskarsbreen ble disse innmålt neste dag a v AlS Geteam. Det var vanskelig å kjøre helt rette prfiler. Derfr ble det tatt flybilder av sctersprene den 13. mars. Stakene på Sauabreen ble ikke innmålt, men navigasjn på breen var mye lettere enn på Blmsterskarsbreen. Kjøring a v prfiler var begrenset a v verflatens skråning g sprekker.

7 5 3. GLASIOLOGISKE FORHOLD 3.1 Radarbølgens hast1ghet. Elektrmagnetiske bølgers frplantningshastighet gjennm 15 er målt g beregnet av bl.a. Rbin (1975). Han viser en sammenheng mellm bølgehasbgheten (v) g medlets tetthet (rh) v ::: r: I ( 1 + rhm7t:; ), der c er lysets hastighet i vakuum. Frmelen viser at bølgehastigheten avtar med økende tetthel Velges en tetthet på 900 kg/m3" blir hastigheten mips. Glen g Paren (1975) freslår en bølgehastighet på mips g bygger på den temperaturavhengige frmelen th Gugh (1972) v ::: C I ( "* T * T2) **0.5, der T er abslutt t.emperatur. Begge frmlene er på frmen v := C I n, der n = epsr**0.5 er brytningsindeksen til mediet g epsr er med1et.s reia ti ve elektriske permittivitet. Størrelsen på den relative elektriske permittiviteten avhenger av mediets evne t.il å la seg plarisere g er fr vann ca. 80, fjell mellm 6 g 10, is 3.15 g luft 1.0. Målinger av bølgehastighet i brhull er gjort i Canada <Rbin, 1975) g ga bl.a g mips med en unøyaktighet på ± 0.2 mips. I denne rapprt.en er det brukt en bølgehastighet på mips under bearbeidingen a v dataene. 3.2 Radarbølgens frekvens Temperert.e breer innehlder vann l prer, sprekker, kanaler, O.S.v.. Frekvensen til radarbølgen er valgt slik at vannansamlingene ikke skal absrbere eller reflektere all energien i pulsen. Båndbredden er 2 til 10 MHz med resnansfrekvens på 8.1 MHz sm gir en bølgelengde i isen på 21 m. Radarens ppløsning er 8 m g minimums- g maksimumsdyp sm kan måles er henhldsvis 30 g 1300 m {Sverrissn m. flere, 198m. Fr plare breer sm ikke innehlder friu vann kan frekvensen til radarbølgen, g derfr målenøyaktighet.en, økes vesentlig. Sm eksempel gir 300 MHz en bølgelengde i isen på bare 56 cm. Nøyaktighet.en i avlesning av ekket er vanlig å sette til :t1/4 bølgelengde_ 3.3 Bresprekker g hulrm Hulrm, kanaler g sprekker danner trl1g det interne vann-

8 6 drc:-flf?nngcjsystemet bl breen g er et. blndeledd mehm verflateavrenning g subglasial drenering av nedbør g smeltffvann. Sprekker dannes ved at sk]ærspenrl1ngene ee størn~ enn nunbj spenningene g dette sees ftest l brefallene. men det er gså sprekker l breen under snølaget på de øvre plat.åene. Radarbølgene reflekteres fra disse inhmgenitetene i isen dersm størrelsen på dem er på en bølgelengde eller mer. Ekket fra bunnen vil fte være frstyrret av disse refleksene. Studier av reflekser fra. hulrm er gjrt.. i Sverige g del er mulig å bestemme m hulrmml'"'ne er fylt. av luft eller vann (Kennett, 1987). 4. BEARBEIDING A V DATA FRA FELT Et punkt på flaten under breen er bestemt av de tre krdinatene X, y g Zb' Navigasjn gir grunnlag fr beregninger av X g Y, mens kart ver breverflaten (2 0 ) 09 istykkelsesmåling <O) gir grunnlag fr beregning av Zb ::: Z -- D. Dermed er det. 3 uavhengige datasett sm sammen gjør det muhg å beregne ':>ubglasiale punkter. 4.1 Ferdskurver Ferdskurver blir plttet. ut på kart. l målestkk 1: med bruk av landmålingsresultatene. dmeterh jul-målinger g ft av spr fr-a helikpter. De beregnele ferdskurvene sees på flg. 3. NGO I krdlnat system ble brukt. 4 -,.t.. H~ydekurver Grunnlag fr høydekurver har vært Hrdaland Fylkes ØknmIsk kart i 1: knstruert fra flyftgrafenng i Ferdskurvene ble avtegnet på kartet ver breverflaten (fig. 3) g skjæringspunkter mellm ferdskurve g kter ble manuelt plltet i et høydekurvediagram. En kntinuerlig kurve ble trukket fr hånd gjennm skjæringspunktene (fig. 5) sm angir verflaten av isen. Usikkerhet i avlesning av høydeverdier (Z) antas å være ±2 m, mens avtegning av ferdskurve bl kart antas å være ±20 m <X g Yt Høydevariasjner i breverflalen siden 1967 er Ikke LaU hensyn til AlS Geteam's må.linger av 7 staker på Blmsterskarsbreen viser mellm O m g 10 m høyre enn kartet, med gjennmsnitt 6 m.

9 7 X (a) LO >- x x (b) N C\I N >- X Fig. 3. Prfiler kjørt på (a) Blmsterskarsbreen g (b) Sauabreen.

10 8 4.3 Radarkurver Negati vfilmene med radarregistreringene ble kpiert i 1:1. Vertikalskalaens (tidsaksens) nullpunkt ble avlest på et amplitudemdulert kntrllsignal. Hrisntalskalaen <lengde langs prfilet> ble justert relativt til ferd skurven p.g.a. dmeterhjulets sluring i snøen. Radarkurvenes dmeterlengde ble sammenlignet med ferdskurvenes lengde. Radarbildene ble manuelt tlket g avtegnet på diagram der nøyaktighet til den reflekterte bølgen ble ntert langs prfilet (fig. 4). O st. 5 Odmeter distance, m st.? Cl) ~ >- til Gi 'O Cl) E i= Accuracy±.!-'s Fig. 4. Reknstruksjn a v bunnrelieff fra breradarregistreringer. Istykkelsen ble beregnet ut fra følgende resnnement. Breradaren sender ut energi radielt symmetrisk i en lbe vinkelrett på antennens lengdeutstrekning. Dette medfører at breradaren "ser" like gdt til sidene fr prfilet sm lddrett ned, men den ser

11 9 ikke like gdt fremver g bakver i prfilet sm lddrett ned. Sidereflekser er derfr et st.ørre prblem enn reflekser frfra g bakfra langs prfilet. Reknstruksjn av breens bunn ut fru sidereflekser kan gjøres hvis det blir kjørt parallell-prfiler. Refleksene sm registreres ligger antagehg sjelden rett under prfilet, men dette må antas ved bunnprfilberegningene sm er gjrt. Enkelte frutsetninger g frenklinger kreves fr å kunne gi entydig infrmasjn m istykkelsen: a) at tlket bunn refleks tilnærmet km fra ett punkt lddrett under midten mellm sender g mttager; b) at bølgehastigheten var knstant; c) at bølgefrplantningen var rettlinjet; d) at direktebølgen gikk i luftlaget umiddelbart ver isen; g e) at breens g berggrunnens verflater var tilnærmet hrisn tale. Når dette er ppfylt kan istykkelsen midt mellm sender g mttager beregnes. Avstanden S mellm sender g mttager ' tilsvarer bølgelengden i isen g mttageren ble trigget (etter tid T s ) av direktebølgen. Den reflekterte bølgen ble vist på mttager mnitren etter tid Tm = T - T s' der T var den reflekterte bølgens gangtid ver avstand 2*L (fig. 2). Direktebølgens gangtid i luftlaget (V = 300 mips i luft) kan skrives T s = S/V. Den reflekterte bølgens gangtid kan skrives T = 2*LlVi = Tm+T s (Vi (i is) = 169 mips). Pythagras setning gir L2 = 02 + (S/2)2 g kmbinasjn av de nevnte ligninger gir istykkelsen 5. RESULTAT Isverflate g bunnprfiler ble tegnet fra kartet g istykkelsesmålingene (fig. 5). Bunnens høyde ble plttet ut på kartet g kter ble trukket manuelt med ekvidistanse på 50 m (fig. 6). Det er bare under prfillinjer at istykkelsen er kjent. Ktene er stiplet frdi tpgrafien mellm prfilene er meget usikker. Nøyaktighet i bunnens høyde er mellm do m g :25 m, sm angitt på fig KONKLUSJON Rapprten beskriver metde g resultat ved istykkelsesmålinger på Blmsterskarsbreen g Sauabreen. Prfilenes )( g y nøyaktighet er :i:2o m. Bunnhøydens (z) nøyaktighet er mellm :10 m g :25 m,

12 10 Accuracy~. ni t / 1000 Stake m..h F5 f O+ - ~ r , O I l A 2 3 t _. -r----.æ A 4 BLOMSTERSKARSBREEN lee surfaee and bed tpgraphy, l Aceuraey t. m m..h_ i Stake r A 5 --r I i i 6 --T ~ i 5 BLOMSTERSKARSBREEN lee surlace and bed tpgraphy, 2 Accuracyi. m+10.2~ 10 + m..h J O I i Stake 3 7a i 7, 1000 i 7a I I 8 9 i BLOMSTERSKARSBREEN lee surlace and bed tpgraphy, 3 Fig. 5(a}. Isverflate g bunnprfiler på Blmsterskarsbreen.

13 11 Acc.uracy t, m F m..h. """~ ,r ,-, -.--." , r ~-~~.. O Stake l SAUABREEN Ice surface and bed tpgraphy. Fig. 5(b}. Isverflate g bunnprflier pa Sauabreen. <J) c x r , ,-----, Blmsterskarsbreen Estimated subglacial tpgraphy.&. Triangu!atin point Gl Survey pint + Stal,'3s r reference pints where bed ech btained estimated subglacial bedrck cntur with TP81.&. x' altitude in m.a.s.1../ '00 <?l"'\) Q./-- / '~/- ~~--- ~/ '- Y,/ --...'-.. / I 1100 ~ / "" 4 I.--- ''-...-' G> \', --' PPI I "" 6 " "- I 500 I 1000m I Fig. 6{a). Subglasial tpgrafi under Blmsterskarsbreen.

14 12 Cl Cl 8 ~,~ N Il I1 x< "r ,>- Sauabreen Estimated subglacial tpgrdphy + Stakes r reference points f tsectins f radi-ech prfiles where bed ech btained 1050 estimated subglaciill bedrck cnlur with altitude in m.a.s.!. I 500 I 1000m x~ L,-- ~.JL ' Fig. 6(b). Subglasial lpgrafi under Sauabreen. avhengig av hvr klart. bunn-ekket synes ver sidereflekser g ekker fra hulrm.s.v. Nen sleder ble bunn-ekkel mislel frdi det var fr mye støy fra SW-radlO eller dybden gikk utenfr målemrådet sm ble benyttet. AlS Geleams landmålingsresullater anglr al Blmslerskarsbreens verflate var ca. 6 m høyere enn angitt på Hrdaland Fylkes kart. Derfr kan de beregnede bunn prfilene på Blmslerskarsbreen (fig. 5(a» bli 6 m fr lave. Unøyaktigheten i bunnens høyde er likevel slørre enn dette. 7. REFERANSER Drewry, D.J. 1981: Radi ech sunding f iee masses: prineiples and applicatins. Remte Sensing in Melerlgy, Oceangraphy and Hydrlgy. Ellis Hrwd, England. Evans, S. g Smith, B.M.E. 1969: A radi ech apparalus fr sunding plar ice sheels. Jurnal f Scientific Inslrumenls, Ser. 2, Vl. 2, N. 2. Glen, J.W. g Paren, J.G. 1975: The eleclrical prperties f snw and iee. Jurnal f Glacilgy, Vl. 15, N. 73. Gugh, S.R. 1972: A lw lemperalure dieleclric cell and lhe permittivlly f hexagnal ice t 2 K. Canadian Jurnal f Chemlslry,

15 13 Vl. 50, N. 18. Kennett, M. 1987: Ph.D. avhandling. An analysls f the scattering f radi waves within a temperate glaeier. Department f Physies, University f Bristl, February Rbin, G. de Q. 1975: Veleity f radi waves in iea by means f a bre-hle int.erfermetric technj.que. ~Jurnal f Glacilgy, VL 15, N. 73. Sverrissn, M. m. fler. 1980: Intstruments and met.hds. Radi-ech equipment fr depth sunding f temperate glaeiers, by M.Sverrissn, Æ.Jhannessn, and H.Bjørnssn. Jurnal f Glacilgy, Vl. 25, N. 93. Sætrang, A.C. g Wld, B. 1986: Results frm the radi eeh-sunding n parts f the Jstedalsbreen iee cap, Nrway. Annals f Glacilgy, Vl. 8, Sætrang, A.C. 1986: Radi-ekk sndering på temperert isbre. Hvedfagspp gave i faste.]rds fysikk, Institutt fr gefysikk, universitetet i Osl Sætrang, 1987: A.C. g Hlmqvist, E. Kartlegging av istykkelse på nrdre Jstedalsbreen Oppdragsrapprt 8-87, Hydrlgisk avdeling, Nrges vassdrags- g energiverk Watts, RD. m. fler. 1975: Radi-ech sunding n Cascade Glaeier, Washingtn, using a lng wavelength mn-pulse surce, by RD.Watts, A.W.England, RS.Viekers, and M.F.Meier. Jurnal f Glacilgy, Vl. 15, N. 73.