Table of Contents

Введение: почему ледниковое движение имеет значение

Ледниковое движение — один из самых динамичных и последовательных процессов в системе Земли. Ежегодно тысячи ледников по всему миру корректируют свою форму, продвигаются или отступают, и переносят массу с больших высот в море. Эти движения не случайны; они следуют предсказуемым физическим законам, связанным с деформацией льда, базальным скольжением и подледниковой гидрологией. Понимание того, как и почему движутся ледники, имеет важное значение для прогнозирования повышения уровня моря, управления водными ресурсами в горных регионах и интерпретации истории прошлых ледников. Наблюдение за ледниками эволюционировало от простых эскизов и измерений до сложного спутникового мониторинга, обеспечивая беспрецедентное окно в поведение этих замерзших рек.

В этой статье рассматриваются физические процессы, которые приводят к движению ледников, исследуются методы, используемые учеными для наблюдения и измерения изменений, а также освещаются ключевые факторы, которые контролируют скорость потока. В ней также рассматриваются более широкие последствия ускорения ледниковой динамики в мире потепления, опираясь на последние исследования гляциологов и климатологов.

Физические процессы ледникового движения

Ледники текут, потому что лед, как и любое твердое вещество при постоянном напряжении, деформируется и движется. Два основных механизма управляют этим потоком: внутренняя деформация (также называемая ползучестью) и базальное скольжение . Относительный вклад каждого механизма зависит от теплового режима ледника, его геометрии и условий на его дне.

Внутренняя деформация: крип и рекристаллизация

Лед представляет собой кристаллическое твердое тело, и под весом выходящего снега и льда отдельные кристаллы льда медленно меняют форму. Этот процесс, известный как creep, включает в себя движение дислокаций внутри кристаллов и постепенную переориентацию кристаллических зерен. Глубже внутри ледника, где давление самое высокое, лед деформируется быстрее. Скорость деформации следует за нелинейной связью со стрессом: удвоение напряжения может увеличить скорость деформации в восемь раз или более, в зависимости от температуры и кристаллической ткани.

Рекристаллизация также играет роль. По мере деформации льда старые кристаллы разрушаются и образуются новые, часто выравниваясь с направлением потока. Эта предпочтительная ориентация может сделать лед более мягким в направлении потока, ускоряя движение с течением времени. Гляциологи называют это развитие сборки , и это активная область исследований в моделировании ледяного покрова.

Внутренняя деформация является доминирующим механизмом движения ледников на холодной основе - замерзших до их постели - и для внутренних районов больших ледяных щитов, таких как Гренландия и Антарктида. В этих условиях лед может перемещаться всего на несколько метров в год, но в течение тысячелетий этот медленный ползунок переносит огромные объемы льда из внутренних районов на окраины.

Базальная скольжение и субледниковая гидрология

Для многих ледников, особенно в умеренных регионах, основным драйвером движения является базальное скольжение. Когда основание ледника находится в точке плавления, между льдом и подстилающей породой или осадком образуется тонкая пленка воды. Эта талая вода действует как смазка, уменьшая трение и позволяя леднику скользить.

Базальный скольжение не является однородным процессом. Он включает в себя два подмеханизма: усиленный ползание вокруг препятствий и регеляцию , где лед тает на стороне препятствия высокого давления, вода течет вокруг него и замораживается на стороне низкого давления. Вместе эти процессы позволяют леднику перемещаться по пересеченной местности.

Критическую роль играет подледниковая дренажная система. Вода может течь по каналам (аналогично потокам), через связанные полости, или как тонкая распределенная пленка. Изменения давления воды в этих системах могут резко изменять скорость скольжения. Например, быстрое увеличение входа талой воды летом может давить на кровать, слегка поднимая ледник и вызывая внезапное ускорение. И наоборот, хорошо развитые системы каналов могут эффективно сливать воду, снижая давление и замедляя скольжение.

Над мягкими слоями осадка (обычные под морскими ледниками и ледяными потоками), скольжение также может включать деформацию самого осадка. Этот процесс, называемый подледниковым до деформации , ведет себя как вязкая жидкость и может значительно способствовать полному движению ледника.

Показатели движения и изменчивости потока

Скорость ледника сильно варьируется, от нескольких метров в год в медленно движущихся ледниках на холодном основании до нескольких километров в год в быстротекущих ледяных потоках и ледниках приливной воды.Даже в пределах одного ледника скорость может меняться сезонно, ежегодно или в течение десятилетий в ответ на внешнее воздействие.

Стойкий поток против роста

Большинство ледников демонстрируют относительно устойчивый поток с постепенными сезонными колебаниями. Однако подмножество ледников, известных как растущие ледники, проходят циклы покоя и быстрого продвижения. Во время фазы покоя (которая может длиться от десятилетий до столетий), ледник накапливает массу и движется медленно. Во время всплеска он может продвинуться на километры всего за несколько лет, со скоростью потока в сотни раз быстрее, чем обычно.

Считается, что выпадение является результатом переключателей в подледниковой дренажной системе или тепловой нестабильности в постели. Хорошо известные растущие ледники включают в себя переменный ледник на Аляске и Brúarjökull в Исландии. Понимание динамики всплеска важно для оценки опасности, поскольку растущие ледники могут блокировать долины, создавать озера и выпускать катастрофические наводнения.

Быстротекущие ледяные потоки и ледники приливной воды

Ледяные потоки — быстро движущиеся коридоры льда в ледяных щитах — могут течь со скоростью сотен метров в год. Примеры включают в себя Якобсхавн Исбре в Гренландии и Ледник Пайн-Айленда в Антарктиде. Эти ледяные потоки ответственны за осушение обширных областей ледяных щитов, и их динамика непосредственно влияет на повышение уровня моря.

Ледники приливной воды, которые заканчиваются в океане, ведут себя иначе, чем ледники, разрушающие землю. На их поток влияют температуры океана, условия морского льда и геометрия фьорда. Когда ледяной фронт отступает в более глубокую воду, скорость отела увеличивается, и ледник может резко ускориться. Этот процесс, известный как нестабильность морского ледяного щита, является ключевой проблемой для вклада Антарктиды в повышение уровня моря.

Наблюдение и мониторинг человека: от скетча до спутника

Наблюдения за ледниками датируются столетиями. Ранние натуралисты фиксировали положения ледникового терминина с помощью расписных отметин на скалах или простых карт. В Альпах в конце 19 века начались систематические измерения продвижения и отступления ледников, что дало некоторые из первых свидетельств того, что климат и ледники тесно связаны.

Современные методы наблюдения гораздо более мощные. Ученые теперь используют набор технологий для измерения движения ледника, изменения толщины и баланса массы с замечательной точностью.

Спутниковое дистанционное зондирование: глобальная перспектива

Спутники, оснащенные оптическими датчиками, радарами и лазерными высотомерами, произвели революцию в ледниковом мониторинге. Landsat и Sentinel-2 обеспечивают видимые и ближние инфракрасные изображения, которые позволяют ученым отображать границы ледника и отслеживать позиции конечностей. ICESat-2 использует лазерный высотомер для подсчета фотонов для измерения изменений высоты поверхности с течением времени, что позволяет оценивать изменение объема и потерю массы.

Радарная интерферометрия (InSAR) со спутников типа Sentinel-1 и ALOS-2 может измерять скорость поверхности льда с точностью до сантиметра на больших площадях. Сравнивая снимки, сделанные с разницей в несколько дней или недель, ученые могут создавать подробные карты скорости потока ледника и обнаруживать ускорение или замедление.

Эти наборы спутниковых данных теперь находятся в свободном доступе, а инструменты обработки стали достаточно сложными для создания карт скорости всей территории континента Гренландии и Антарктиды. Сочетание спутниковых данных с полевыми измерениями обеспечивает всеобъемлющую картину динамики ледников.

Измерения поля: GPS, наземный проникающий радар и ледяные коры

Несмотря на мощность дистанционного зондирования, полевые измерения остаются важными. GPS-станции , установленные на ледниках, записывают данные о непрерывном положении, фиксируя краткосрочные события, такие как ускорение, вызванное импульсами талой воды или эпизодами отела. Повторные GPS-исследования обеспечивают точные измерения скорости с течением времени.

Наземный радар (GPR) позволяет ученым составлять карту ледникового дна, измерять толщину льда и идентифицировать подледниковые каналы. Понимание топографии дна имеет решающее значение для моделирования потока льда и прогнозирования моделей отступления.

Ледяные керны открывают окно в динамику климата и льда в прошлом. Анализируя слои льда, газовых пузырей и мусора, исследователи могут реконструировать историю температур, темпы накопления и модели потоков в течение сотен тысяч лет. Эта долгосрочная перспектива помогает контекстуализировать современные изменения.

Исторические данные и гражданская наука

Исторические записи — картины, карты и ранние фотографии — расширяют наблюдательные записи в течение веков. Например, эскизы альпийских ледников с 1700-х годов использовались для оценки ледниковой протяженности во время Малого ледникового периода. Совсем недавно гражданские научные инициативы, такие как проект Глобального изменения ледника и программа Глейшер Фотомониторинг , привлекли общественность к сбору повторных фотографий, предоставляя ценные визуальные доказательства отступления ледников.

Сочетание всех этих источников данных позволило ученым построить подробные записи о поведении ледников для тысяч ледников по всему миру.Эти записи синтезируются такими организациями, как Всемирная служба мониторинга ледников , которая поддерживает глобальную базу данных о балансе массы, изменении длины и скорости.

Ключевые факторы, влияющие на ледниковое движение

Несколько взаимосвязанных факторов контролируют скорость и поведение ледников. Понимание этих факторов имеет важное значение для прогнозирования того, как ледники будут реагировать на будущие изменения климата.

  • Температура:] Температура воздуха напрямую влияет на выработку талой воды на поверхности ледника. Теплые условия увеличивают количество воды, достигающей слоя, что может уменьшить трение и ускорить скольжение. Температура также влияет на вязкость льда: более теплый лед деформируется легче, чем холодный лед, увеличивая скорость внутренней деформации.
  • Склон (Surface Gradient): Стресс движения ледников происходит от веса льда, действующего вниз по склону. Степерные склоны генерируют более высокие напряжения сдвига, что обычно приводит к более быстрому потоку. Однако связь не является линейной, потому что базальные условия и геометрия льда изменяют реакцию.
  • Толщина льда:] Более толстые ледники производят большее базальное давление, которое может усилить как внутреннюю деформацию, так и базальное скольжение. Однако очень толстый лед также может увеличить температуру плавления в постели, влияя на доступность подледниковой воды. В некоторых условиях более толстый лед на самом деле движется медленнее, потому что повышенный нормальный стресс запирает ледник более прочно к его ложу.
  • Условия субледниковой кровати: Природа материала под ледником — будь то твердая порода, мягкий осадок или смешанная осадочная порода — сильно влияет на эффективность скольжения и хранение воды. Мягкие осадочные породы могут деформироваться и способствовать быстрому течению, в то время как твердые слои с грубыми поверхностями повышают сопротивление. Присутствие воды в постели, будь то в каналах или в виде распределенной пленки, является критической переменной.
  • Глациальная гидрология: Конфигурация подледниковой дренажной системы может быстро меняться, особенно в период таяния или в ответ на события дренажа озера. Надежная распределенная система способствует быстрому скольжению, в то время как эффективная система каналов имеет тенденцию снижать давление воды и медленное движение. Это гидрологическое переключение стоит за большей частью наблюдаемой изменчивости скорости ледника.
  • Уровень моря и условия океана:] Для приливно-водных ледников доминирующую роль играют температурные и циркуляционные модели океана. Теплые течения могут растопить ледяной фронт и подводные части ледника, истончив конечную точку и уменьшив подкрепляемость. Это часто вызывает ускорение и отступление. Геометрия фьордов, включая подоконники и узкие слои, может модулировать влияние океана.
  • Динамика откаливания:] Потеря льда на передней части ледника приливной воды (откаливание) влияет на баланс сил. При увеличении скорости откаливания ледник испытывает меньше сопротивления, что приводит к ускорению. Стиль откаливания — будь то небольшие блоки, большие табличные берги или массовые рифтинговые события — зависит от геометрии ледника, ледяной ткани и условий океана.

Последствия изменения климата и повышения уровня моря

Связь между ледниковым движением и климатом — это улица с двусторонним движением. Климат стимулирует поведение ледников, но ледники также влияют на климат через обратную связь, включающую альбедо, температуру поверхности моря и потоки пресной воды. Самая непосредственная забота для общества — вклад ледников и ледяных щитов в глобальное повышение уровня моря.

Массовая потеря и ускорение: опасная обратная связь

По мере того, как атмосфера и океаны теплые, многие ледники теряют массу с ускорением. Тоньше уменьшает высоту поверхности ледника, подвергая его более теплым температурам на более низких высотах (процесс, известный как обратная связь баланса приливной массы ]. Для ледников приливной воды истончение может привести к тому, что ледяной фронт отступит в более глубокую воду, увеличивая скорость отела и ускоряя поток. Эта динамическая обратная связь истончения наблюдалась широко в Гренландии и Антарктиде.

Шестой оценочный доклад МГЭИК пришел к выводу, что ледники во всем мире теряют около 267 миллиардов тонн льда в год с 2000 по 2019 год, причем потери ускоряются за этот период. Гренландский и антарктический ледяные щиты вместе теряют около 430 миллиардов тонн в год, что достаточно для повышения уровня моря примерно на 1,2 миллиметра в год. Если нынешние тенденции продолжатся, ледники могут внести 10-20 сантиметров в повышение уровня моря к 2100 году, причем ледяные щиты потенциально добавляют в несколько раз больше этого количества.

Неопределенность в будущих прогнозах

Одна из самых больших неопределенностей в прогнозах уровня моря - поведение быстротекущих ледяных потоков в Антарктиде. Ледник Туэйтса является основным фокусом исследований, потому что он сидит на обратном склоне и уязвим для нестабильности морского ледяного покрова. Если Туэйтс рухнет, это может поднять уровень моря более чем на 60 сантиметров и, возможно, вызвать коллапс соседних ледников, повышая общую сумму на несколько метров.

Аналогичным образом, Якобсхавн Исбрей в Гренландии продемонстрировал драматические изменения в ответ на потепление океана и отступление фронта от отела. Модели пытаются захватить весь спектр возможной динамики, особенно взаимодействия между океаническим воздействием, субледниковой гидрологией и динамикой льда.

Наблюдение как путь к улучшению прогнозирования

Продолжение наблюдений — это не просто научное упражнение; это практическая необходимость для информирования политики и стратегий адаптации. Спутниковые миссии, такие как миссия НАСА по поверхностным водам и океанической топографии (SWOT) и программа полярной ледовой и снежной топографии (POLAR) Коперника, предоставят данные более высокого разрешения о возвышении поверхности ледника и взаимодействии с океаном. Наземные сети мониторинга, такие как сеть мониторинга ледяного покрова Гренландии , дополняют эти данные непрерывными измерениями погоды на месте, стока талой воды и скорости льда.

Эти наблюдения напрямую подпитывают модели, которые проверяют гипотезы о поведении ледников и генерируют прогнозы будущих изменений. Чем лучше мы понимаем физические процессы, приводящие к ледниковому движению, тем более уверенными мы можем быть в наших прогнозах - и тем более эффективно мы можем подготовиться к миру с растущими морями и измененными запасами воды.

Вывод: Незаконченная наука о динамике ледников

Ледниковое движение — богатый и сложный научный предмет, который находится на пересечении физики, климатологии и гидрологии. От микроскопического ползучего кристаллов льда до километровых всплесков целых ледников процессы, управляющие ледовым потоком, раскрывают глубокую связь между криосферой и глобальной климатической системой. Наблюдение за человеком перешло от простых полевых эскизов к спутниковому наблюдению по всему континенту, но многие фундаментальные вопросы остаются без ответа: как будут развиваться подледниковые дренажные системы при устойчивом потеплении? Что вызывает коллапс крупных ледяных потоков? Можем ли мы предсказать сроки крупных вкладов ледяного покрова в уровень моря?

Ясно, что ледники, которые мы наблюдаем сегодня, меняются так, как не было замечено за тысячи лет. Их движение - это не просто любопытство высоких гор и полярных регионов; это центральная сила в формировании береговых линий и водных ресурсов, на которые полагаются миллиарды людей. Продолжать изучение и мониторинг ледниковой динамики - одна из самых важных научных инвестиций, которые мы можем сделать для будущего.