Micrometeorological and Thermal Control of Frost Flower Growth and Decay on Young Sea Ice

• Published in: ARCTIC
• Main Authors: Galley, Ryan J., Else, Brent G.T., Geilfus, Nicolas-Xavier, Hare, Alexander A., Babb, David, Papakyriakou, Tim, Barber, David G., Rysgaard, Søren
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: The Arctic Institute of North America 2015
• Subjects: Arctic; sea ice; frost flowers; new ice; young ice; leads; Arctique; glace de mer; fleurs de glace; glace nouvelle; glace jeune; chenaux; Arctique*; Sea ice
• Online Access: https://journalhosting.ucalgary.ca/index.php/arctic/article/view/67499

Frost flowers are transient crystal structures that form on new and young sea ice surfaces. They have been implicated in a variety of biological, chemical, and physical processes and interactions with the atmosphere at the sea ice surface. We describe the atmospheric and radiative conditions and the physical and thermal properties of the sea ice and atmosphere that form, decay, and destroy frost flowers on young sea ice. Frost flower formation occurred during a high-pressure system that caused air temperatures to drop to −30˚C, with relative humidity of 70% (an undersaturated atmosphere), and very calm wind conditions. The sea ice surface temperature at the time of frost flower initiation was 10˚–13˚C warmer than the air temperature. Frost flowers grew on nodules raised above the mean surface height by 5 mm, which were 4˚–6˚C colder than the bare, brine-wetted, highly saline sea ice surface that provided the necessary moisture. The cold nodules created potential water vapour supersaturation zones above them with respect to air over the brine skim. Frost flowers formed and grew overnight in the absence of shortwave radiation, while the net longwave radiation was negative and dominated the net all-wave radiation balance at the surface. The observed crystal habits of the frost flowers were long needles, betraying their origin from the vapour phase at temperatures between −20˚C and −30˚C. After a night of growth, frost flowers decayed in association with increased solar radiation, a net surface radiation balance of 0 W m-2, increased air and surface temperatures, increased wind speed, and decreased relative humidity. We hypothesize that these conditions increased vertical mixing, which eroded near-surface water vapour saturation and initiated sublimation. The frost flowers finally were rapidly destroyed by snowfall. Les fleurs de glace sont des structures cristallines transitoires qui se forment sur des surfaces de glace de mer nouvelles et jeunes. Elles découlent de divers processus et interactions biologiques, chimiques et physiques avec l’atmosphère, à la surface de la glace de mer. Nous décrivons les conditions atmosphériques et radiatives de même que les propriétés physiques et thermiques de la glace de mer qui forment, détériorent et détruisent les fleurs de glace sur la jeune glace de mer. La formation de fleurs de glace s’est produite lorsqu’un système de haute pression a fait baisser les températures de l’air à −30 ˚C, avec une humidité relative de 70 % (atmosphère sous-saturée) et un régime des vents très calme. À l’amorçage des fleurs de glace, la température à la surface de la glace de mer était de 10˚ à 13 ˚C plus chaude que la température de l’air. Les fleurs de glace se sont formées sur des nodules élevés au-dessus de la hauteur moyenne de la surface dans une mesure de 5 mm, ce qui était entre 4˚ et 6 ˚C plus froid que la surface de glace de mer brute, saumurée et fortement saline qui a fourni l’humidité nécessaire. En ce qui a trait à l’air au-dessus de l’écume de saumure, les nodules de froid ont créé des zones potentielles de sursaturation de vapeur d’eau au-dessus. Des fleurs de glace se sont formées et ont grossi pendant la nuit, en l’absence de rayonnement de courtes longueurs d’onde, tandis que le rayonnement net de grandes longueurs d’onde était négatif et dominait l’équilibre du rayonnement net de toutes ondes à la surface. L’habitus cristallin observé dans les fleurs de glace prenait la forme de longues aiguilles, trahissant son origine de la phase vapeur à des températures variant de −20 ˚C à −30 ˚C. Après une nuit de croissance, les fleurs de glace se sont détériorées en présence du rayonnement solaire accru, du bilan radiatif de la surface de 0 W m-2, des températures accrues de l’air et de la surface, de la plus grande vitesse du vent et de l’humidité relative réduite. Nous formulons l’hypothèse que ces conditions ont eu pour effet d’augmenter le mélange vertical, ce qui a érodé la saturation de vapeur d’eau près de la surface et déclenché la sublimation. Par la suite, les fleurs de glace ont été rapidement détruites par la chute de neige.