Введение

Ледники являются одними из самых мощных и стойких сил, формирующих поверхность Земли’s. Эти огромные тела льда, сформированные на протяжении веков накоплением и уплотнением снега, медленно, но неумолимо перемещаются по земле. Их движение - это не простое скольжение, а сложный физический процесс, который включает в себя множество механизмов, работающих в разных масштабах. Понимание науки о движении ледников имеет важное значение для интерпретации ландшафтов, которые мы видим сегодня, от острых хребтов альпийских хребтов до глубоких впадин фьордов. Ледники в настоящее время покрывают около 10 процентов поверхности Земли’s пресной воды. По мере их течения они разрушают породу, транспортируют огромное количество осадка и отложения материала далеко от его источника. В этой статье рассматриваются основные механизмы, которые управляют движением ледников, факторы, которые контролируют скорость потока, и глубокое влияние этих движущихся ледяных масс на формирование ландшафта.

Механизмы движения ледников

Движение ледника происходит через несколько различных физических процессов, которые могут работать одновременно. Относительный вклад каждого механизма зависит от температуры, давления и присутствия воды в основании ледника’s. Два основных механизма - внутренняя деформация и базальное скольжение, с дополнительным вкладом от подледниковых процессов, таких как деформация осадка.

Внутренняя деформация

Внутренняя деформация, также известная как ползучесть, — это процесс, посредством которого кристаллы льда в леднике меняют форму и скользят мимо друг друга под воздействием силы тяжести. Лед — кристаллическое твердое тело, но при огромном давлении, обнаруженном в леднике, он ведет себя как вязкая жидкость в течение длительных временных отрезков. Отдельные кристаллы льда преимущественно ориентируются вдоль плоскостей слабости, а дислокации в кристаллической решетке позволяют льду деформироваться по возрастанию. Эта деформация происходит быстрее всего в нижних частях ледника, где давление наибольшее. Связь между напряжением и скоростью деформации во льду нелинейна, а это означает, что небольшое увеличение напряжения может производить непропорционально большое увеличение скорости потока. Внутренняя деформация является доминирующим механизмом движения в ледниках на холоде, где лед остается замороженным до основания и базальное скольжение минимально.

Базальный скольжение

Базальный скольжение происходит, когда весь ледник скользит по лежащей в его основе породе или осадку. Этот процесс становится возможным благодаря наличию талой воды в основании ледника’s, что уменьшает трение. Вода в основании может происходить от поверхностного расплава, который проникает через трещины и мулены, от геотермального тепла, которое плавит базальный лед, или от фрикционного нагрева, генерируемого самим скольжением. Два основных механизма способствуют базальному скольжению: усиленный базальный сползание происходит, когда лед быстро деформируется вокруг препятствий породы, в то время как регельирование включает таяние под высоким давлением на стороне вверх по течению препятствия и повторное замерзание на стороне вниз по течению. Скольжение базала имеет тенденцию доминировать в умеренных ледниках, где лед находится в точке плавления или вблизи нее на протяжении большей части своей толщины. Наличие тонкой пленки воды в ложе может позволить скольжение скоростей нескольких метров в день в некоторых быстротекущих ледниках.

Подледниковые процессы и деформация осадка

Для ледников, которые переопределяют мягкие отложения, а не твердую осадочную породу, движение ледника может включать деформацию подледникового осадка. Этот процесс, известный как субледниковая деформация осадка, происходит, когда сдвиговое напряжение от накладывающегося льда приводит к тому, что насыщенный водой осадок выходит из строя и течет. В этих случаях ледник не скользит непосредственно над осадочным слоем, а вместо этого ездит на деформирующем слое осадка, который сам по себе может внести значительный вклад в общее движение. Этот механизм особенно важен для ледовых потоков, таких как те, которые найдены в Антарктиде, где быстрый поток происходит над мягкими осадочными слоями. Измерения из скважин, пробуренных через ледяные потоки, показали, что деформирующий слой осадка может быть толщиной в несколько метров и может составлять до 90 процентов скорости движения ледника & #8217.

Факторы, влияющие на ледниковый поток

На скорость и стиль движения ледников влияет сложное взаимодействие экологических и физических факторов. Понимание этих механизмов контроля имеет решающее значение для прогнозирования того, как ледники будут реагировать на изменение климатических условий.

Температура и климат

Температура, пожалуй, самый важный фактор, управляющий динамикой ледников. Ледники широко классифицируются на две тепловые категории: умеренные и холодные. Умеренные ледники, также известные как ледники на теплой основе, существуют в точке плавления по всей своей массе, позволяя обильным талым водам достигать пласта и облегчать быстрое базальное скольжение. Ледники на холодной основе, напротив, остаются ниже точки замерзания и замерзают до своих слоев, двигаясь почти исключительно через внутреннюю деформацию с гораздо более медленными темпами. Политемерные ледники содержат как холодные, так и умеренные регионы, как правило, с холодными краями и умеренным внутренним пространством. Изменение климата меняет тепловой режим многих ледников, нагревая их и потенциально ускоряя их поток. Однако связь не проста, так как повышенное поверхностное таяние также может привести к развитию эффективных подледниковых дренажных систем, которые снижают давление воды и медленное скольжение.

Слоуп и топография

Склон поверхности ледника и подстилающая его топография оказывают сильное управление скоростью потока. Лед движется вниз по склону под действием силы тяжести, а более крутые склоны порождают более высокие нагрузки на движение. Связь выражается через уравнение нагрузки на движение, которое связывает толщину льда, наклон поверхности и плотность льда. Топография также создает сужения и расширения, которые влияют на структуру потока. Там, где ледник ограничен стенками долины, лед должен ускоряться через узкие секции и замедляться в более широких бассейнах. Этот топографический контроль может создавать сложные режимы потока, включая протяженный поток, где лед растягивается и образуется трещина, и компрессионный поток, где лед утолщается и может развить особенности тяги. Неровности породы также создают сопротивление потоку через сопротивление формы, что может значительно замедлить ледник даже при высоком напряжении движения.

Толщина льда и давление

Толщина льда напрямую связана как с движущим напряжением, так и с внутренней деформацией. Более толстый лед оказывает большее давление в основании, что немного увеличивает температуру плавления льда через давление плавления, явление, известное как отношение Клаузиуса-Клапейрона. Это давление плавления может производить талую воду даже при температурах субморозки, облегчая базальное скольжение в некоторых ледниках на основе холода. Гидростатическое давление от перегруженного льда также влияет на эффективное давление в ложе, определяемое как разница между давлением перегрузки льда и давлением воды в подледной дренажной системе. Когда давление воды высокое по отношению к давлению льда, базальное скольжение ускоряется, потому что ледник частично поднимается со своего ложа. И наоборот, когда давление воды низкое, ледник более прочно связан с его ложем и скольжение замедляется.

Подледниковая гидрология

Конфигурация и эффективность подледниковой дренажной системы играют решающую роль в модуляции ледникового потока. Вода на ледниковом дне может течь через распределенные системы, такие как связанные полости или тонкие пленки, или через канализированные системы, такие как R-каналы, которые являются туннелями, расплавленными в основание льда потоком воды. Распределенные системы поддерживают высокое давление воды на больших площадях и имеют тенденцию способствовать быстрому скольжению. Канализированные системы, напротив, эффективно сливают воду и снижают давление воды, что может замедлить или даже остановить скольжение в некоторых случаях. Многие ледники демонстрируют сезонные изменения скорости потока, которые коррелируют с изменениями в подледниковой дренажной системе. Во время сезона таяния увеличенный ввод воды может перегружать дренажную способность, приводя к развитию каналов и дренажной системе становится более эффективным, давление воды падает и поток замедляется. Этот сезонный цикл был задокументирован на многих ледниках долины и является активной областью исследований.

Динамика ледникового потока

Ледниковый поток не всегда устойчив и однороден. Многие ледники демонстрируют сложное динамическое поведение, в том числе всплески, отечность и быстрое отступление. Это поведение важно для понимания того, как ледники реагируют на внутреннее и внешнее воздействие.

Ледники с подъёмом

Ледники скачка — это увлекательное и плохо изученное явление. Эти ледники чередуются между длительными периодами медленного или застойного течения, известного как похолодание, и короткими периодами чрезвычайно быстрого течения, известного как фаза скачка. Во время скачка скорости потока могут увеличиваться на порядки, а ледник может продвигаться на несколько километров за один год. Спусковой механизм скачков не до конца понятен, но ведущие гипотезы предполагают изменения подледного теплового режима и наращивание и высвобождение давления воды. Скачки наиболее распространены в некоторых регионах, включая Аляску, Шпицберген и Каракорумский хребет в Азии. Цикл скачков может быть очень регулярным в некоторых ледниках и совершенно непредсказуемым в других. Понимание поведения скачков важно для оценки опасности, так как скачущие ледники могут продвигаться в долины, блокировать реки и создавать ледниковые наводнения.

Ледники с приливной водой и кальвирование

Ледники приливной воды — это ледники, которые заканчиваются в океане. Эти ледники являются одними из самых быстро движущихся ледяных масс на Земле, некоторые из них в Гренландии и Аляске движутся на несколько километров в год. Основным механизмом потери массы ледников приливной воды является отечность, процесс, посредством которого айсберги отрываются от конечности ледника. Кальвирование обусловлено плавучестью, подрезанием океанской водой и распространением трещин через лед. Ледники приливной воды могут подвергаться быстрому отступлению, если конечность отступает в более глубокую воду, процесс, известный как нестабильность морского ледяного утеса. Этот механизм был вовлечен в ускоренное отступление ледников в Гренландии и Антарктиде и является основным источником неопределенности в прогнозах повышения уровня моря. На динамику ледников приливной воды влияют температура океана, геометрия фьорда и наличие морского льда, который может укрепить конечность и медленное отеление.

Ледяные потоки и шельфовые ледники

Ледовые потоки — это быстро движущиеся коридоры льда в пределах более крупных ледяных щитов, например, в Антарктиде и Гренландии. Они могут двигаться со скоростью сотен метров в год, в то время как окружающий ледяной щит движется только метрами в год. Ледовые потоки обычно подстилаются мягкими деформируемыми отложениями и смазываются водой высокого давления у их пластов. Боковые края ледовых потоков часто отмечены сдвигающими зонами, где быстро движущиеся ледовые потоки измельчаются против более медленного окружающего льда. Ледовые потоки играют критическую роль в массовом балансе ледяных щитов, сливая большие объемы льда с внутренних берегов. Многие ледовые потоки впадают в ледяные шельфы, которые являются плавающими расширениями заземленного ледяного щита. Ледовые полки усиливают поток заземленного льда вверх по течению, и их истончение или коллапс могут привести к ускоренному потоку ледяного потока и увеличению вклада в уровень моря. Недавний коллапс ледяных шельфов вдоль Антарктического

Влияние на формирование ландшафта

Движение ледников является одним из наиболее эффективных эрозионных и осаждений процессов на Земле.На протяжении тысячелетий ледники безошибочно вылепляют ландшафт, создавая рельефы, которые сохраняются долго после исчезновения льда.

Эрозионные формы земель

Ледниковая эрозия происходит через два первичных механизма: истирание и карьерирование. Истирание — это измельчение породы обломками, встроенными в основание ледника, производство тонкой каменной муки и гладких, полированных поверхностей. Карьерирование, также известное как выщипывание, происходит, когда ледник оттягивает блоки породы от кровати, как правило, вдоль уже существующих переломов или суставов. Сочетание этих процессов производит набор отличительных рельефов. U-образные долины — это, пожалуй, наиболее знаковая ледниковая форма, характеризующаяся крутыми прямыми сторонами и плоским, широким полом. Эти долины образуются, когда ледник расширяется и углубляет ранее существовавшую V-образную речную долину. Цирковые — это чашеобразные углубления во главе ледниковой долины, часто содержащие тусклое озеро после таяния ледника. Ареты — это острые, похожие на нож хребты, образованные там, где два цирка размываются наклонно друг к другу. Горны — это пирамидальные вершины, образованные пересечением трех или более

Депозиционные формы рельефа

Ледники переносят огромные количества осадочных пород, начиная от частиц глинистого размера и заканчивая массивными валунами. Этот осадок, в совокупности известный как до тех пор, пока лед не перегрузится. Морейны являются хребтами или насыпями до тех пор, пока не осадят на краях ледника. Морены терминала отмечают самое дальнее продвижение ледника, в то время как боковые морены образуются вдоль сторон. Медаль морены образуются там, где два ледника сливаются и их боковые морены объединяются. Драмлины обтекаются, удлиненные холмы до той формы под движущимся льдом, с более крутым концом, указывающим на ледник, и более мягкий склон, указывающий на ледник. Их точный механизм формирования остается спорным, но они полезны для реконструкции бывших направлений ледяного потока. Шкуры являются извилистыми хребтами стратифицированного песка и гравия, осажденные талыми водами, осажденными талыми водами в углублениях на поверхности ледника. Ледниковые долин

Фьорды и прибрежные особенности

Фьорды являются одними из самых драматических форм рельефа, создаваемых ледниковой эрозией. Эти глубокие, узкие впадины образуются, когда ледник размывается U-образной долиной ниже уровня моря, и долина впоследствии затопляется океаном после отступления ледника. Фьорды могут быть чрезвычайно глубокими, некоторые из них превышают 1000 метров в глубину. Самые глубокие фьорды обычно обнаруживаются там, где ледник был толстее, а эрозия была наиболее интенсивной. У многих фьордов есть неглубокий подоконник у их устья, образованный терминальной мореной, отложенной на леднике’s максимальная протяженность. Этот подоконник ограничивает циркуляцию воды и может создавать аноксичные условия в глубоких бассейнах фьорда. За фьордами ледниковая эрозия также формирует береговые линии через создание висящих долин, где притоковые ледники присоединяются к главной долине на высоте над дном долины, создавая эффектные водопады, которые погружаются непосредственно в фьорд. Сочетание фьордов, островов

Измерение и мониторинг движения ледников

Понимание динамики ледников требует точных измерений скорости течения, толщины льда и изменения высоты поверхности.Современные методы произвели революцию в изучении ледников, позволив ученым контролировать большие площади с высоким временным и пространственным разрешением.

Дистанционное зондирование и спутниковые наблюдения

Спутниковое дистанционное зондирование трансформировало гляциологию. Синтетическая радиолокационная интерферометрия апертуры ледника или InSAR может измерять скорость поверхности ледника с точностью до сантиметра путем сравнения радиолокационных изображений, полученных с разницей в несколько дней или недель. Оптические спутниковые снимки, например, с миссий Landsat и Sentinel, позволяют ученым отслеживать движение поверхностных признаков и положение ледникового терминина с течением времени. Лазерная альтиметрия со спутников, таких как ICESat-2, обеспечивает точные измерения изменения высоты поверхности, что используется для расчета баланса масс. Сочетание этих методов позволило создать глобальные карты скорости ледника и обнаружить тенденции ускорения и замедления по всем горным хребтам и ледяным щитам. Эти наблюдения показали, что многие ледники ускоряются в ответ на изменение климата, в то время как другие замедляются из-за изменений субледниковой гидрологии или положения конца.

Наземные и ледопроникающие методы

Наземные измерения дополняют спутниковые наблюдения и предоставляют критические данные валидации. GPS-приемники, развернутые на поверхности ледника, записывают данные о непрерывном положении, выявляя суточные и сезонные изменения скорости, которые спутники не могут захватить. Наземный проникающий радар или ледопроницаемый радар использует радиоволны для картирования ледникового дна, измерения толщины льда и обнаружения внутренних слоев, которые регистрируют прошлые условия климата и течения. Буровые скважины, пробуренные через лед к дну, позволяют напрямую измерять свойства воды, которые контролируют поток ледника и для тестирования численных моделей. Некоторые ледники были оснащены автоматизированными метеорологическими станциями, ставками абляции и камерами замедления времени, которые обеспечивают подробную запись о плавлении поверхности, скорости и конечной скорости изменения в течение года. Данные этих инструментов показали, что ледниковый поток может резко изменяться в временных масштабах, таких как часы до дней, особенно в ответ на события осадков или внезапное увеличение входа талой воды.

Ледники и изменение климата

Движение и массовый баланс ледников напрямую связаны с климатом. По мере повышения глобальной температуры ледники по всему миру теряют массу с ускорением темпов. Эта потеря массы имеет глубокие последствия для повышения уровня моря, водных ресурсов и эволюции ландшафта. Только ледяные щиты Гренландии и Антарктики содержат достаточно льда, чтобы поднять уровень моря примерно на 65 метров, если полностью растаять. Даже частичное таяние этих ледников представляет значительную угрозу для прибрежных сообществ во всем мире. Горные ледники, хотя и меньше в общем объеме, способствуют повышению уровня моря с ускорением и являются критическими источниками пресной воды для сотен миллионов людей в таких регионах, как Гималаи, Анды и Европейские Альпы.

Ледниковый поток реагирует на изменение климата несколькими путями. Более теплые температуры увеличивают поверхностное таяние, которое может первоначально ускорить базальное скольжение, поставляя больше воды к кровати. Однако по мере того, как лед разрежается и конечный отступление, движущий стресс уменьшается, и ледник может замедлиться. В ледниках приливной воды взаимодействие между потеплением океана и динамикой отела может привести к быстрому, устойчивому ускорению и отступлению, которое трудно обратить вспять. Потеря шельфовых ледников в Антарктиде позволила ускорить внутренние ледяные потоки, увеличивая вклад антарктического ледяного щита в повышение уровня моря. Связь между климатом и динамикой ледника является предметом интенсивных исследований, и улучшения в численных моделях необходимы для создания надежных прогнозов будущего повышения уровня моря и доступности воды.

Заключение

Наука движения ледников раскрывает мир замечательной сложности. Ледовые потоки не просто твёрдые, а поликристаллические материалы, деформирующиеся, сползающие и взаимодействующие с его ложем таким образом, что учёные всё ещё работают над полным пониманием. Механизмы внутренней деформации, базального скольжения и субледниковой деформации осадков работают вместе, чтобы произвести широкий спектр поведения потоков, наблюдаемых в природе, от медленного ползучего ледника холодной долины до быстрого прилива ледников Антарктики и быстрого потока ледяных потоков Антарктики. Факторы, контролирующие динамику ледников, включая температуру, склон, толщину льда и подледниковую гидрологию, создают систему, которая очень чувствительна к изменениям окружающей среды. Пейзажи, создаваемые ледниковой эрозией и осаждением, являются одними из самых красивых и научно информативных особенностей на Земле, обеспечивая запись прошлого климата и ледяного потока, который продолжается сотни тысяч лет. По мере того, как климат продолжает нагреваться, изучение движения ледников является не просто академическим занятием. Понимание того, как ледники теку