Table of Contents

Ледники являются одними из самых мощных и видимых сил, формирующих поверхность Земли. Часто называемые реками льда, они образуются в холодных регионах, где снег накапливается быстрее, чем тает, сжимаясь на протяжении веков в плотный, текущий лед. Эти массивные тела не статичны; они ползут, скользят и измельчают свой путь через ландшафты, вырезают долины, переносят мусор и оставляют за собой отчетливую геологическую подпись. Понимание того, как ледники формируются и движутся, имеет важное значение для интерпретации прошлого климата, прогнозирования будущего повышения уровня моря и управления водными ресурсами в горных регионах. В этой статье исследуется полный жизненный цикл ледников, от первоначального накопления снега до их динамичного движения и глубокого воздействия на планету.

Формирование ледников

Ледники берут начало в средах, где годовой снегопад превышает годовой таяние. Это состояние, известное как положительный баланс массы, позволяет снегу сохраняться в течение лета и накапливаться из года в год. Со временем вес последовательных слоев сжимает нижние слои, инициируя превращение из легкого пушистого снега в плотный, кристаллический лед. Этот процесс не происходит в одночасье; он может занять десятилетия до столетий, в зависимости от местного климата и скорости снегопада.

Зона накопления

Верхняя часть ледника, где накапливается и начинается уплотнение снега, называется зоной накопления. Здесь снег накапливается слоями, каждый из которых представляет собой один год или сезон снегопада. По мере того, как снег углубляется, давление сверху заставляет нижние слои перекристаллизоваться, вытесняя воздух и уменьшая поровое пространство. Снег сначала превращается в пряжу, гранулированный промежуточный материал с плотностью примерно в половину от чистой льда. По мере того, как пряжка становится более глубокой, зерна сливаются вместе, а оставшиеся воздушные карманы запечатываются как пузырьки. В конце концов, после достижения критической глубины и давления, пряжка метаморфозирует в твердый ледниковый лед.

От снега до ледникового льда

Преобразование снега в лед — физический процесс, приводимый в движение температурой и давлением. Свежий снег имеет плотность около 0,1 грамма на кубический сантиметр. По мере его уплотнения он становится пряжей, плотностью около 0,5 г/см3. Дальнейшее сжатие под весом высыхающего снега и пряжи толкает плотность к 0,83 г/см3 или выше, при этом материал считается ледниковым льдом. Этот лёд сохраняет крошечные пузырьки воздуха, содержащие образцы древней атмосферы, что делает ледяные керны бесценными для изучения прошлых климатических условий. Переход от пряжи к льду происходит на глубинах примерно от 30 до 60 метров, в зависимости от местного температурного режима.

Бюджет ледника

Здоровье ледника определяется его массовым балансом, разницей между накоплением и абляцией. Накопление включает в себя все входы снега, льда и дождя, которые замерзают на поверхности ледника. Абляция включает в себя все потери, в первую очередь таяние, сублимацию и откалывание айсбергов. Когда накопление превышает абляцию, ледник продвигается. Когда абляция превышает накопление, ледник отступает. Во многих частях мира ледники находятся в состоянии чистого отрицательного баланса масс в течение десятилетий, четкий сигнал потепления температур. Высота равновесной линии (ELA) отмечает границу, где годовое накопление равняется годовой абляции; над этой линией ледник набирает массу, а ниже нее ледник теряет массу.

Механика движения ледников

Как только ледниковый лед достигает толщины около 20—30 метров, давление у основания достаточно, чтобы лед деформировался пластически. Эта деформация в сочетании с скольжением по коренных породах приводит к движению ледника. Скорость движения колеблется в широких пределах, от нескольких сантиметров в год в холодных, медленно движущихся ледниках до десятков метров в день в быстро движущихся розеточных ледниках. Два основных механизма управляют этим движением: внутренняя деформация и базальное скольжение.

Внутренняя деформация

Внутренняя деформация, также называемая ползучестью, происходит потому, что лед представляет собой кристаллическое твердое вещество, которое ведет себя как очень вязкая жидкость при постоянном напряжении. Отдельные кристаллы льда скользят мимо друг друга вдоль своих внутренних плоскостей скольжения, позволяя всей массе льда медленно течь вниз по склону. Эта деформация чувствительна к температуре; более теплый лед деформируется легче, чем более холодный лед. Внутренний поток не однороден; верхняя часть ледника движется быстрее, чем основание, где трение с коренной породой замедляет лед. Это дифференциальное движение создает трещины в хрупком поверхностном льду и создает характерные огайвы или узкие узоры, наблюдаемые на некоторых ледниках.

Базальный скольжение

Базальный скольжение происходит, когда основание ледника смазывается талой водой, уменьшая трение с подстилающей породой. Эта талая вода может поступать от поверхностного расплава, который просачивается вниз через трещины и мулены, или от геотермального тепла и фрикционного нагрева у основания. Базальный скольжение является доминирующим механизмом в ледниках на теплой основе, которые находятся в точке таяния давления у их основания. В ледниках на холодной основе, которые заморожены до основания, движение происходит почти полностью через внутреннюю деформацию. Сезонные изменения в талой воде могут вызвать ускорение ледников летом и замедление зимой.

Взлетающие ледники

Некоторые ледники проявляют циклическое поведение, известное как «подъём», где они чередуются между длительными периодами покоя и короткими всплесками быстрого продвижения. Во время всплеска ледник может двигаться на десятки — сотни метров в день, намного превышая его нормальный расход. Считается, что подъёмы вызваны изменениями подледниковой гидрологической системы, такими как наращивание и высвобождение давления воды в основании. Причиной подъёма по-прежнему является активная область исследований, но она выделяет сложные взаимодействия между льдом, водой и породой, которые управляют динамикой ледника.

Типы ледников

Ледники классифицируются по их размеру, форме и тепловым характеристикам. Наиболее распространенная классификация различает альпийские или долинные ледники, которые текут в горных долинах, и ледяные щиты, которые представляют собой огромные ледяные массы континентального масштаба. Ледяные шапки и отводные ледники представляют собой промежуточные формы. Понимание этих типов помогает ученым интерпретировать, как разные ледники реагируют на климатические воздействия.

Альпийские или долинные ледники

Альпийские ледники берут начало в гористой местности и стекают вниз по уже существующим долинам, часто вырезав их в характерные U-образные профили. Эти ледники обычно меньше ледяных щитов и встречаются на каждом континенте, кроме Австралии. Примерами являются ледник Мер-де-Глейс во французских Альпах и ледник Атабаска в канадских Скалистых горах. Альпийские ледники особенно чувствительны к температуре и изменениям осадков, что делает их отличными показателями местной изменчивости климата.

Ледяные щиты и ледяные шапки

Ледяные щиты являются крупнейшими ледниками на Земле, покрывающими площади более 50 000 кв. км. Сегодня существуют только два: Гренландский ледяной щит и Антарктический ледяной щит. Эти ледяные щиты содержат около 99% пресноводного льда в мире. Ледяные шапки похожи по форме, но меньше, покрывают менее 50 000 кв. км и встречаются в таких местах, как Исландия и Канадский арктический архипелаг. Поток ледяных щитов сложен, вовлекает медленно движущиеся внутренние районы и быстро движущиеся ледяные потоки, которые сливают лед к краям.

Ледники Outlet и ледники Tidewater

Выходные ледники — это каналы быстро движущегося льда, которые сливают лед со льдов или ледяных шапок, часто через горные долины. Когда эти ледники достигают океана, их называют ледниками приливной воды. Эти ледники откалывают айсберги в море, процесс, который может вызвать быструю потерю льда. Ледник Якобсхавн в Гренландии и ледник Пайн-Айленд в Антарктиде являются яркими примерами. Ледники приливной воды чувствительны к температуре океана и могут быстро отступать, когда их плавающие ледники тоньше или распадаются.

Ледниковая эрозия и формы суши

По мере движения ледников они разрушают подстилающую породу посредством двух первичных процессов: истирания и выщипывания. Истирание происходит, когда фрагменты горных пород, вложенные в основание ледника, соскребают его о скалу, как наждачная бумага, сглаживая и полируя ее. Выщипывание происходит, когда талая вода замерзает вокруг выступов скал и ледник оттягивает кусочки породы. Эти процессы создают отличительный набор рельефов, которые сохраняются долго после отступления ледника.

Цирк, Арет и Рога

Цирки — чашеобразные углубления во главе ледниковой долины, образованные вращательным движением льда и выветриванием морозо-оттепели стенки. Когда два цирка эродируют спина к спине, они образуют острый, острый хребет, называемый аретом. Когда три или более цирка эродируют вокруг одной горной вершины, они создают заостренную, пирамидоподобную особенность, известную как рог. Маттерхорн в швейцарско-итальянских Альпах является классическим примером ледникового рога. Эти формы рельефа являются диагностикой прошлой ледниковой активности в горных регионах.

U-образные долины и фьорды

В отличие от V-образных долин, вырезанных реками, ледниковые долины имеют характерное U-образное сечение с крутыми сторонами и широким плоским полом. Эта форма является результатом эрозионной силы льда, который расширяет и углубляет долину по мере ее течения. Фьорды — U-образные долины, которые были затоплены морской водой после отступления ледника. Они распространены в Норвегии, Аляске, Новой Зеландии и Чили. Глубина этих долин, часто простирающаяся далеко ниже уровня моря, свидетельствует об огромной эрозионной способности ледникового льда.

Страции и польские

Ледниковые полосы — это царапины и канавки, вырезанные в породе скалами, вложенными в лед. Эти полосы выравниваются с направлением ледяного потока, обеспечивая запись движения прошлых ледников. Такое же абразивное действие может производить гладкую, полированную поверхность на более твердых породах, таких как гранит. Стриации и ледниковый пол распространены на обнажениях пород в районах, которые были оледенели во время последнего ледникового периода, таких как Канадский щит и горы Адирондак.

Ледниковое осаждение и формы суши

Ледники переносят огромное количество осадка, начиная от мелкой каменной муки и заканчивая массивными валунами. Когда лёд тает, этот осадок откладывается, создавая рельефы, формирующие постледниковый ландшафт. Осадок, отложенный непосредственно льдом, называется до тех пор, пока осадок, переносимый и откладываемый талыми потоками воды, не будет вымыт.

Морейн

Морейны — это скопления долин, отложенные на краях ледника. Боковые морены образуются по бокам ледника долины, а средние морены образуются там, где сливаются два ледника. Терминальные морены отмечают самую дальнюю степень продвижения ледника, а рецессионные морены отмечают позиции, где ледник приостанавливался во время отступления. Терминальная морена Лаврентийского ледяного щита, покрывавшая большую часть Северной Америки, образует хребет Лонг-Айленда, Нью-Йорка и островов Мартас-Винъярд и Нантакет.

Драмлины и эскеры

Барабаны — обтекаемые, вытянутые холмы, напоминающие перевернутые ложки. Они сложены до тех пор и выровнены с направлением ледового потока. Они часто встречаются в скоплениях, называемых барабанными полями, дающими подсказки о скорости и направлении прошедшего ледового потока. Шкуры — извилистые гряды песка и гравия, осаждаемые талыми потоками, протекающими в туннелях подо льдом. После таяния льдов эти черты остаются извилистыми хребтами, часто обозначающими путь подледниковых рек. Шкуры являются важными источниками агрегата для строительства, а также служат водоносными горизонтами в некоторых регионах.

Дождь и эрратика

До тех пор, пока не рассортированный осадок не откладывается непосредственно ледниковым льдом. Он содержит смесь глины, ила, песка, гравия и валунов, отражающих разнообразие типов пород, через которые проходил ледник. Эрратики — это большие валуны, перевозимые ледниками и отложенные в районах с различной породой. Наличие неустойчивого далеко от его истока камня является убедительным свидетельством прошлого оледенения. Например, гранитные эрратики из Канадского щита найдены разбросанными по Среднему Западу США, перевозимые туда Лаврентийским ледяным щитом.

Ледники как индикаторы изменения климата

Ледники являются одними из наиболее чувствительных показателей изменения климата. Их реакция на изменение температуры и осадков относительно быстрая и наблюдаемая, что делает их ценными для мониторинга глобального потепления. Отступление ледников во всем мире за последнее столетие является одним из самых четких сигналов потепления планеты.

Массовый баланс и отступление

Ученые измеряют баланс массы ледника, сравнивая накопление снега зимой с таянием льда летом. Отрицательный баланс массы указывает на то, что ледник теряет чистую массу, что приводит к истончению и отступлению. С 1980-х годов большинство ледников за пределами полярных регионов испытывали устойчивые отрицательные балансы массы. Всемирная служба мониторинга ледников поддерживает глобальную базу данных измерений баланса массы ледника, и тенденция однозначна: ледники сокращаются с ускоряющейся скоростью. Отступление ледников в Гималаях, Альпах и Андах имеет прямые последствия для водной безопасности в районах ниже по течению.

Вклад в повышение уровня моря

Ледниковые талые воды способствуют повышению уровня моря двумя способами: через прямое таяние горных ледников и ледяных шапок и через ускоренный сброс ледников через выпускные ледники. Горные ледники и ледяные шапки способствовали примерно 25-30% наблюдаемого повышения уровня моря с начала 20-го века, хотя они удерживают только небольшую часть мирового льда. Гренландский и антарктический ледяные щиты стали доминирующими участниками в последние десятилетия, с их комбинированными массовыми потерями, ускоряющимися. Межправительственная группа экспертов по изменению климата Проекты, что таяние ледников и ледяного щита будет продолжать повышать уровень моря на протяжении веков, даже если выбросы парниковых газов стабилизируются.

Гидрологическое и экологическое значение

Ледники являются не только геологическими агентами; они также играют важную роль в гидрологическом цикле и поддерживают уникальные экосистемы.Во многих частях мира ледниковые талые воды поддерживают реки, которые обеспечивают воду для питья, сельского хозяйства и гидроэнергетики в засушливые сезоны.

Пресноводные водохранилища

Ледники хранят около 69% мировой пресной воды. Летом талая вода из ледников дополняет речной поток, обеспечивая устойчивое снабжение водой при скудных осадках. Это особенно важно в засушливых и полузасушливых регионах, зависящих от питаемых ледниками рек, таких как бассейны Инда, Ганга и Брахмапутры в Южной Азии. Сезонный выброс талой воды также поддерживает орошение миллионов гектаров сельскохозяйственных угодий. Однако по мере сокращения ледников общий объем воды, хранящейся в этих природных водоемах, снижается, угрожая долгосрочной водной безопасности.

Мелтвотер и речные системы

Мельтвотер от ледников питает некоторые из крупнейших речных систем на Земле, включая Амазонку, Миссисипи и Янцзы. В Гималаях, так называемом Третьем полюсе, ледники питают десять крупных рек, которые снабжают водой более 1,5 миллиарда человек. Сроки и величина стока талой воды меняются по мере того, как ледники тоньше и отступают, изменяя гидрологию ниже по течению. Геологическая служба США следит за реками, питаемыми ледниками, на Аляске и Тихоокеанском северо-западе, чтобы понять эти изменения и их последствия для водных ресурсов.

Ледниковые экосистемы

Несмотря на холодные температуры, ледники содержат разнообразные микробные сообщества, в том числе бактерии, грибы и водоросли, обитающие на ледяной поверхности и в пределах льда. Криоконитовые дыры, небольшие углубления, заполненные темными осадками и талой водой, являются горячими точками микробной активности на ледниковых поверхностях. Эти микроорганизмы способствуют круговороту питательных веществ и могут влиять на скорость таяния льда за счет затемнения поверхности. Кроме того, ледниковые талые воды и проледниковые озера поддерживают уникальные водные экосистемы, которые адаптированы к холодным, мутным условиям. По мере отступления ледников создаются новые среды обитания, но долгосрочные экологические последствия все еще изучаются.

Взаимодействие человека с ледниками

Люди тысячелетиями взаимодействовали с ледниками, полагаясь на них для воды, маршрутов путешествий и духовного значения.В наше время ледники также являются источниками экономической ценности благодаря туризму и гидроэнергетике, но они представляют опасность, требующую тщательного управления.

Водные ресурсы и гидроэнергетика

Во многих горных странах ледниковые талые воды используются для выработки гидроэнергии, обеспечивая надежный источник возобновляемой энергии. Норвегия, Исландия, Швейцария и канадская провинция Британская Колумбия зависят от рек, питаемых ледниками, для значительной части своей электроэнергии. Однако долгосрочное сокращение ледников повлияет на сезонное распределение потока воды, потенциально сокращая производство гидроэнергии в конце лета и осенью. Водные менеджеры уже планируют будущее с меньшим количеством ледниковых хранилищ путем строительства водохранилищ и диверсификации источников воды.

Туризм и отдых

Ледники ежегодно привлекают миллионы туристов, предлагая возможности для пеших прогулок, восхождения на лед и осмотра достопримечательностей. Популярными ледниками являются ледники Франца-Иосифа и Фокса в Новой Зеландии, ледник Перито-Морено в Аргентине и ледник Йостедалсбрин в Норвегии. Ледниковый туризм вносит значительный вклад в местную экономику, но он также оказывает давление на хрупкую ледяную среду. По мере отступления ледников некоторые туристические объекты становятся менее доступными, а операторы адаптируются, разрабатывая новые маршруты и достопримечательности.

Опасности и управление рисками

Ледники могут представлять значительную опасность, включая наводнения вспышек ледниковых озер (GLOFs), ледяные лавины и потоки мусора. GLOFs происходят, когда ледниковое озеро, заглушенное мореной или льдом, внезапно выпускает большой объем воды, вызывая катастрофическое наводнение вниз по течению. По мере отступления ледников новые озера образуются за нестабильными моренами, увеличивая риск GLOFs в таких регионах, как Гималаи, Анды и Европейские Альпы. Национальный центр данных о снеге и льде обеспечивает постоянный мониторинг и оценку рисков для ледниковых опасностей. Меры по смягчению включают системы раннего предупреждения, дренаж опасных озер и планирование землепользования в уязвимых районах.

Заключение

Ледники — это гораздо больше, чем инертные массы льда; это динамические системы, которые формируют ландшафты, регулируют водоснабжение и чувствительны к изменению климата. От медленного уплотнения снега в ледник до быстрого всплеска выходного ледника процессы, которые управляют образованием и движением ледников, являются свидетельством силы воды в ее замороженном состоянии. Формы, которые они оставляют после себя, от U-образных долин до раскидистых морен, обеспечивают длительный отчет об их прохождении. По мере нагревания планеты отступление ледников во всем мире имеет глубокие последствия для понимания этих замерзших рек и адаптации к изменениям, которые они предвещают. Для получения дополнительной информации о динамике ледников и климатических взаимодействиях, ресурсы Национального управления по аэронавтике и исследованию климата [FLT: 1] и [FLT: 2] Геологическая служба США [FLT: 3] предлагают обширные данные и анализ.