On the mechanical behavior of compacted pack ice : A theoretical and numerical investigation

Abstract

Pack ice is an aggregate of ice floes drifting on the sea surface. The forces controlling the motion and deformation of pack ice are air and water drag forces, sea surface tilt, Coriolis force and the internal force due to the interaction between ice floes. In this thesis, the mechanical behavior of compacted pack ice is investigated using theoretical and numerical methods, focusing on the three basic material properties: compressive strength, yield curve and flow rule.

A high-resolution three-category sea ice model is applied to investigate the sea ice dynamics in two small basins, the whole Gulf Riga and the inside Pärnu Bay, focusing on the calibration of the compressive strength for thin ice. These two basins are on the scales of 100 km and 20 km, respectively, with typical ice thickness of 10-30 cm. The model is found capable of capturing the main characteristics of the ice dynamics. The compressive strength is calibrated to be about 30 kPa, consistent with the values from most large-scale sea ice dynamic studies. In addition, the numerical study in Pärnu Bay suggests that the shear strength drops significantly when the ice-floe size markedly decreases.

A characteristic inversion method is developed to probe the yield curve of compacted pack ice. The basis of this method is the relationship between the intersection angle of linear kinematic features (LKFs) in sea ice and the slope of the yield curve. A summary of the observed LKFs shows that they can be basically divided into three groups: intersecting leads, uniaxial opening leads and uniaxial pressure ridges. Based on the available observed angles, the yield curve is determined to be a curved diamond. Comparisons of this yield curve with those from other methods show that it possesses almost all the advantages identified by the other methods.

A new constitutive law is proposed, where the yield curve is a diamond and the flow rule is a combination of the normal and co-axial flow rule. The non-normal co-axial flow rule is necessary for the Coulombic yield constraint. This constitutive law not only captures the main features of forming LKFs but also takes the advantage of avoiding overestimating divergence during shear deformation. Moreover, this study provides a method for observing the flow rule for pack ice during deformation.

Merijää on tuttu vierailija Suomen rannikoilla. Itämerellä jäätä esiintyy joka vuosi ympäröiden Suomen ranta-alueita 5-7 kuukauden ajan. Suomalaisilla on tapana käyttää merijäätä virkistystoimintaan – hiihtoon, luisteluun ja pilkkimiseen, mutta toisaalta se vaikeuttaa merenkulkua ja rannikkoalueiden merellistä rakentamista. Näiden lisäksi merijää on tärkeässä roolissa maapallon ilmaston kannalta.

Kapeisiin lahtiin merijää muodostuu järvijäälle tyypillisenä vakaana jääpeitteenä. Avomerelle mentäessä havaitaan jääkenttien ajelehtimista. Väitöskirjassa kaksi ensimmäistä artikkelia käsittelevät jään ajelehtimisen aiheuttavia tekijöitä. Jääpeitteen vahvuutta arvioidaan aluksi suuruusluokka-analyysin avulla Riikan ja Pärnun lahdissa, jotka molemmat luokitellaan pieniksi altaiksi. Seuraavaksi numeerista mallintamista käytetään jään liikkeiden, rikkoutumisen ja kasautumisen simuloinnissa. Tulokset antavat jään puristuslujuuden suuruudeksi 30 kPa.

Talvella Itämerellä liikkuessa voidaan havaita jäähän muodostuneita railoja sekä ahtojääkerrostumia. Jääpeitteessä esiintyvät railot sekä ahtojää ovat erittäin tärkeitä talviaikaisen merenkulun kannalta. Satelliittikuvista voidaan havaita, että railoja ja ahtojäätä esiintyy systemaattisemmin arktisilla merialueilla. Väitöskirjan seuraavissa kahdessa artikkelissa käsitellään näiden ilmiöiden muodostumiseen liittyviä mekanismeja. Jos jääpeitettä käsitellään plastisena materiaalina, tällaiset piirteet tulevat luonnollisesti esiin. Väitöskirjassa kehitellyn menetelmän avulla voidaan arvioida myötökäyrää, joka kuvaa jännityksen rajaa jääpeitteen murtumiselle. Systemaattisesti syntyvät railot ja ahtojäät ovat olleet tämän tutkimuksen polttopisteessä.