Питание и абляция ледников, баланс льда

И ВОДЫ В ЛЕДНИКАХ

Питание ледника. Основным источником питания ледника служат твердые атмосферные осадки. Кроме них в питании ледника участвуют дождевые жидкие осадки; метелевый перенос, т.е. принос ветром снега на поверхность ледника со смежных горных склонов; лавины, приносящие дополнительные объемы снега на ледник; конденсация водяного пара в твердую фазу (сублимация) или так называемые «нарастающие» осадки — иней и изморозь; «наложенный лед», т.е. вновь замерзающие талые воды сезонного снега.

Поданным В.М. Котлякова, вклад основных составляющих в питание горных долинных ледников таков: выпадающие осадки дают 80% общей аккумуляции, «нарастающие» осадки — 0—2%, метелевый перенос — 15%, лавины — 5%.Для малых ледников доля осадков сокращается до 20—30%, а доля метелевого и лавинного переноса увеличивается соответственно до 50—60 и 20%.

Расход вещества в леднике. Главной составляющей расхода вещества в леднике (абляции) является сток талой воды с ледника. Кроме того, с поверхности льда (снега) происходит испарение, а также иногда и сдувание снега ветром (механическая абляция). Различают три вида абляции: подледниковую, внутриледниковую и поверхностную.

Подледниковая абляция происходит на границе ледника с ложем и вызывается поступлением теплоты из грунта, трением льда о ложе и жидкой водой, проникающей под лед. Поступление геотермального тепла из недр Земли может привести даже к образованию огромных подледниковых озер под мощным слоем покровного ледника. Примером такого озера служит оз. Восток в Антарктиде (см. гл. 7).

Внутриледниковая абляция (таяние) происходит внутри ледника и объясняется трением отдельных слоев ледника, циркуляцией воды и воздуха в полостях и трещинах ледника. На долю обоих упомянутых видов абляции приходится менее 5% общей абляции ледника. Главный вид ледниковой абляции — поверхностная абляция, представляющая собой убыль снега, фирна и льда на поверхности ледника, обусловленная метеорологическими факторами. Основной составляющей поверхностной абляции является таяние. Испарение играет некоторую роль лишь в условиях крайне сухого и солнечного высокогорья.

На процесс абляции ледника оказывают влияние солнечная радиация, температура и влажность воздуха, испарение и конденсация, атмосферные осадки. Твердые осадки — снег — увеличивают альбедо поверхности ледника и ослабляют процесс таяния, жидкие осадки (дождь) несколько ускоряют процесс таяния.

Абляцию обычно выражают в массовых или объемных единицах (млн т в год или млн м³ воды в год), кроме того часто используют понятие удельной абляции (т/м² в год) или слоя абляции (таяния) (мм/год).

Для покровных ледников, омываемых морями, расход льда (до 80%) происходит механическим путем в результате образования айсбергов, которые увлекаются морскими течениями и ветром и уже как компоненты режима океана начинают оказывать на морские воды опресняющее и охлаждающее воздействие.

Талые воды ледников играют важную роль в круговороте воды в природе. Наибольший вклад дает таяние в океане айсбергов — отколовшихся частей покровных ледников. Так, по данным монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли», Антарктида дает ледниковый сток в океан в размере 2,31 тыс. км³ год.

Гренландия и арктические острова — 0,70 тыс. км³ воды в год. Таяние горных ледников, по данным А.Н. Кренке, дает в среднем всего 412 км³ воды в год.

Баланс льда и воды в леднике. Поскольку в ледниках происходит переход льда в воду и, наоборот, воды в лед, а лед и вода имеют различную плотность, баланс вещества в ледниках удобнее всего выражать в единицах массы. Согласно общему уравнению водного баланса (2.1) и (2.5), уравнение баланса массы горного ледника можно представить (по В.М. Котлякову и Г.Н. Голубеву) следующим образом. Приходную часть уравнения составят осадки X (слагающиеся из твердых и жидких осадков: Х=Х _тв + Х _ж), метелевый перенос Y _м, лавинный перенос Y _лав, конденсация водяного пара в твердую фазу Z _конд Расходная часть уравнения будет включать сток талой воды с ледника Y _ст и испарение снега и льда Z _исп.

Таким образом, уравнение баланса массы ледника получит вид:
Х + Y _м + Y _лав + Z _конд = Y _ст + Z _исп ± ∆ U, (4.2)

где ±∆U — изменение массы ледника за интервал времени ∆t.

Поскольку любой ледник состоит из твердой (снег, фирн, лед) и жидкой (вода) фаз, уравнение баланса массы ледника (4.2) может быть разделено на два. Для жидкой фазы (баланса воды в леднике) получим

Х _ж +Y _т =Y _ст +Y _зам ±∆U _в, (4.3)

где Y _т — таяние снега, фирна и льда на поверхности и в толще ледника; Y _зам— повторное замерзание талых и дождевых вод; Y _т — сток воды за пределы ледника (сток реки, вытекающий из ледника); ± ∆U _в — изменение запасов жидкой воды в леднике. Для твердой фазы (баланса льда) получим

Х _тв + Y _м + Y _лав +Y _зам+ Z _конд = Y _т + Z _исп ±∆U _л, (4.4)

где Y _зам — часть вновь замерзшей воды (см. предыдущее уравнение); ±∆U _л — изменение массы льда в леднике.

Если сложить уравнения (4.3) и (4.4), то получим уравнение (4.2). При этом необходимо учесть, что Х= Х _ж+ Х _тв, ± ∆U= ± ∆U _в ± ∆U _л. В приведенном анализе баланса льда и воды в леднике не учитывались из-за их незначительности величины конденсации водяного пара в жидкую фазу и испарение воды.

Уравнение баланса массы ледника может быть применено к леднику в целом или к любой его части, например к области питания или области абляции. В области питания наблюдается положительный баланс массы льда, ниже — отрицательный. Между этими областями, на границе питания ледника баланс массы нулевой.

Граница питания ледника может совпадать с фирновой линиейотделяющей область распространения фирна от области обнажённого льда, но может лежать и несколько ниже фирновой линии.

В этом случае между границей фирна и границей питания ледника находится полоса так называемого «наложенного» льда, образовавшегося в результате повторного замерзания талой воды (зона ледяного питания).

РЕЖИМ И ДВИЖЕНИЕ ЛЕДНИКОВ

Под режимом ледника понимается совокупность всех процессов, происходящих на поверхности и в толще ледника, включая изменение его массы и формы, наступание и отступание.

Если аккумуляция в леднике в целом (левая часть уравнения (4.4)) равна абляции (правая часть уравнения), то ∆U _л = 0 и ледник должен быть стабилен. Если аккумуляция превышает абляцию, то ∆U _л >0 и ледник должен нарастать и наступать. Если абляция перекрывает аккумуляцию, то ∆U _л <0, масса льда уменьшается, ледник должен деградировать и отступать.

Итак, в периоды положительного баланса льда ледники должны наступать, в период отрицательного баланса льда — отступать. Эта связанная с изменением баланса массы ледника и имеющая климатическую природу закономерность выполняется, однако, не всегда строго. Наступание и отступание ледника, т.е. перемещения его конца, часто запаздывают во времени по отношению к изменению массы ледника. Чтобы ледник пришел в движение, иногда необходимо некоторое избыточное накопление льда. Кроме того, наступание иногда связано не только с климатическими причинами, но и с механическими факторами, как, например, у пульсирующих ледников, о которых будет сказано ниже.

Наступание и отступание ледников в прошлом, настоящем и будущем. Наступание и отступание ледников могут иметь различную продолжительность, измеряемую интервалами времени геологического, векового, многолетнего, сезонного и других масштабов. Наступание и отступание ледников в геологическом масштабе времени отождествляют соответственно с эпохами и периодами оледенения и межледниковыми эпохами и периодами. Менее продолжительные наступания и отступания ледников исчисляются периодами в десятки и сотни лет. Колебания ледников, т.е. режим их наступания и отступания, связаны прежде всего с изменением условий питания и абляции ледников. Наступание ледников обычно наблюдается в холодные и влажные периоды, отступание — в теплые и сухие. Колебания ледников отмечаются и в современную геологическую эпоху.

Значительные изменения претерпел, например, ледяной покров Гренландии. По данным О.П. Чижова (1997), за последние 10 тыс. лет край ледяного покрова Гренландии отступил приблизительно на 175 км на западе и севере острова и на 130 км на востоке. Последнее наступание выводных ледников Гренландии в историческое время отмечалось в XVII—XIX вв., когда эти ледники погребли остатки поселений норманнов, живших на юге западной части Гренландии в X—XV вв. Последний этап отступания ледников зафиксирован на западном побережье с начала, а на северном — с 20-х годов XX в.

Значительное наступание горных ледников, по-видимому, вызванное сильным похолоданием и увеличением увлажненности, отмечалось в горах Европы в IX—VIII вв. до н. э. Наступание ледников наблюдалось в Альпах также с 100 по 750 гг. н. э. В IX— XII вв. потепление климата привело в Европе к почти полной деградации ледников. В конце XII — начале XIII столетия ледники снова начали наступать на Кавказе и в Альпах. Новое значительное наступание ледников наблюдалось в XVI—XVIII вв.

Причиной наступания ледников в XVI—XIX вв. было общее похолодание климата, которое даже называют «малым ледниковым периодом». Затем (после 1850 г.) ледники Европы начали почти повсеместно отступать, что ряд исследователей объясняли потеплением климата.

По данным В.М. Котлякова (2002), пик отступания горных ледников пришелся на 1930—40-е годы. В последующие десятилетия отступание ледников сменилось их стабилизацией и даже некоторым наступанием. В Австрийских Альпах, например, с 1965 по 1975 гг. доля наступающих ледников возросла с 30 до 58% (в 1920 г. эта доля составляла 30%, а к 1952 г. приблизилась к 100%). Однако, по некоторым данным, в последние десятилетия XX в. и в настоящее время в связи с общим потеплением климата отмечается тенденция к повсеместному отступанию ледников, ocoбенно в полярных районах (см. также разд. 3.1).

Состояние ледников на планете в будущем будет зависеть от крупномасштабных изменений климата. В.М. Котляков и А.Н. Кренке (1997), прогнозируя изменение ледников, рассматривают два основных сценария. Если климатические процессы пойдут по «теплому» сценарию (к 2020 г. температура воздуха повысится на 2°С, а к концу XXI в.—на 4°С), то произойдут следующие значительные изменения в ледяном покрове Земли. Сильно сократятся площади покровных ледников в Арктике. На арктических островах ледяной покров может исчезнуть за несколько десятилетий. Толщина льда в Гренландии будет уменьшаться на 0,5—0,7 м в год. В Антарктиде сильно уменьшатся площади шельфовых ледников. Если же осуществится «холодный» климатический сценарий, то ледники будут постепенно наступать, особенно в приполярных районах. Kaк указывалось в гл. 3, более вероятен «теплый» сценарий.

Движение ледников. От наступания и отступания ледников, связанных в основном с изменением условий их питания и таяния следует отличать движение ледников, проявляющееся в перемещении (всегда в одном направлении) самих масс льда. Благодаря пластичности лед оказывается текучим и под действием силы тяжести и давления медленно перемещается.

Движению масс льда способствуют большая мощность ледника, значительные уклоны его поверхности и ложа, относительно повышенная температура воздуха (и льда), так называемая «водяная смазка» у ложа. Мощные ледники двигаются быстрее маломощных (считается, что заметное движение ледника начинается при его толщине, превышающей 15—30 м); крутопадающие ледники двигаются быстрее пологопадающих; днем, летом и в фазу наступания ледник движется быстрее, чем ночью, зимой и в фазу отступания. Движение масс льда в леднике благодаря деформациям сжатия и растяжения (приводящим часто к разрывам сплошности льда) существенно отличается от движения воды в водотоках и водоемах. Движение масс льда в леднике может быть так называемым глыбовым со скольжением вдоль ложа и вязкопластичным. В последнем случае движение льда в леднике должно подчиняться закону ламинарного движения (2.31): скорость движения льда (v _л)пропорциональна квадрату толщины ледника (h _л) и первой степени уклона его поверхности I _л:

v _л = k h _л² I,(4.5)

где k — размерный эмпирический коэффициент.

Формула (4.5), видимо, удовлетворительно отражает реальные условия многих ледников, причем для ледника в целом она дает лучшие результаты, чем для его отдельных частей. Эта формула подтверждена, например, исследованиями М. Лагалли, проведенными на ледниках Эльбруса. В данном случае при суточной скорости движения льда v _лм/сут, величина коэффициента k оказалась равной 0,014.

В толще ледника максимальные скорости движения отмечаются на поверхности в центральной части ледника. С приближением к ложу ледника скорости движения льда обычно быстро уменьшаются (см. кривую 2 на рис 2.2).

Обычно скорости движения ледников незначительны и измеряются сантиметрами в сутки или метрами в год. Наибольшая скорость движения свойственна краевым частям мощных покровных ледников Антарктиды и Гренландии (выводным ледникам) и крупным горным ледникам. Временное ускорение движения ледника (как горного, так и покровного) называют подвижкой ледника (или сёрджем).

Движущиеся (даже медленно) ледники производят огромную эрозионную, транспортирующую и рельефоформирующую работу. Движущийся лед «полирует» скалы, переносит большие массы обломочного материала, включая огромные валуны, «выпахивает» троговые долины.

По скорости движения ледники можно подразделить на три основные группы. Ледники первой группы имеют небольшую (обычно не более 100—200 м/год), мало изменяющуюся в течение года скорость движения. Это большинство горных ледников, ледниковые щиты. Ледники второй группы имеют практически постоянно весьма большую скорость движения (1—2 км/год и более, иногда до 5—7 км/год). Это некоторые выводные ледники Антарктиды и Гренландии. Ряд крупных горных ледников движется со скоростью до 1 км/год. Наконец, ледники третьей группы (так называемые пульсирующие ледники) в обычное время имеют незначительные скорости движения, но в отдельные непродолжительные периоды резко ускоряют свое движение (до 300 м/сут).

Представляющие наибольший интерес пульсирующие ледники характеризуются резко выраженным неустойчивым динамическим режимом: длительная стадия накопления льда в леднике сменяется резкой его подвижкой. Во время подвижки происходит разрядка накопившихся напряжений, сплошность ледника нарушается и движение льда по плоскостям разрыва и скола резко ускоряется. Для начала подвижки, по-видимому, важное значение должно иметь превышение продольных напряжений над силами трения вдоль ложа ледника. Существенное значение в уменьшении трения может иметь скопление у ложа воды (так называемая «водяная смазка»). Лед во время подвижки перемещается из области питания в область абляции без существенного изменения его общей массы в леднике. Такие катастрофические подвижки периодически повторяются. Периоды пульсаций могут составлять от нескольких лет до столетий. Пульсирующих ледников много во многих ледниковых системах — на Аляске, Шпицбергене, в Исландии, Альпах, в горах Центральной Азии.

Хорошо изучен (Л.Д. Долгушин, Г.Б. Осипова, 1982) пульсирующий ледник Медвежий на Памире длиной 15,8 км и площадью 25,3 км². Его подвижки происходили через каждые 10—14 лет: в 1916, 1937, 1951, 1963, 1973, 1989 гг. Например, в 1973 г. площадь ледника резко увеличилась на 1,4 км², его язык в течение нескольких месяцев продвинулся на 2 км. Резкое выдвижение языка ледника Медвежьего обычно перекрывает боковую долину р. Абдукагор, где быстро наполняется водой подпруженное ледником озеро с объемом до 20 млн м³. Прорыв ледяной плотины обычно приводит к образованию разрушительного селя в нижележащей долине р. Ванч.

Весьма необычны подвижки небольшого ледника Колка в верховьях р. Геналдон на северном склоне Казбекско-Джимарайского горного массива (Северный Кавказ), изучавшегося и описанного ранее отечественными гляциологами К.П. Рототаевым, В.Г. Ходаковым, А.Н. Кренке и др. В прошлом было зафиксировав несколько крупных подвижек ледника Колка в 1835, 1902 и 1969 – 1970 гг., т.е. через каждые 65—70 лет. Первые две из этих трех подвижек имели катастрофический характер. В 1902 г. вал высотой до 100 м из воды, льда и камней с большой скоростью пронесся вниз по долине на 11 км. Было вынесено 70—75 млн м³ льда и камней. Этот лед таял потом в течение 12 лет. В результате этой подвижки погибло несколько десятков человек и много скота. С 28 сентября 1969 г. по 10 января 1970 г. язык ледника, имевшего до этого длину около 3 км, выдвинулся на 4,6 км и опустился по высоте на 785 м. Скорость продвижения льда достигала 300 м в сутки, а толщина наступающего языка— 130 м. Объем вынесенного льда составил 80 млн м³; этот лед таял потом в течение 25 лет.

Последняя самая катастрофическая подвижка ледника Колка произошла совсем недавно и всего через 32 года после предыдущей[9]. Вечером 20 сентября 2002 г. в результате внезапной подвижки ледник Колка полностью вышел из своего прежнего ложа. Образовался гигантский вал из льда, камней, грязи и воды; он устремился вниз по долине и остановился в 15 км ниже бывшего языка ледника Колка, с большой силой ударившись о Скалистый хребет в районе Кармадонских ворот. Высота вала в некоторых местах достигала 150 м. Ниже по течению от Кармадонских ворот на расстоянии 17 км прошел разрушительный грязекаменный сель, объем отложений которого составил около 5 млн м³. Размеры «ледяного тела», заполнившего Кармадонскую котловину, оказались огромными: площадь 2,1 км², длина 3,6 км, объем 115 млн м³, максимальная и средняя толщина 140 и 60 м соответственно. В ряде мест в долине возникли небольшие подпруженные озера. Их общая площадь в начале октября 2002 г. составляла более 0,4 км². В результате этой катастрофы был погребен пос. Нижний Кармадон, погибло не менее 100 человек.

В настоящее время отечественные гляциологи (Института географии РАН, географического факультета МГУ и других организаций) изучают причины и особенности Кармадонской катастрофы. Обсуждается также вопрос о том, являются ли эти события необычной подвижкой льда, ледо-каменным селем или ледовым обвалом. Многие гляциологи считают, что к потере устойчивости ледника Колка привели, во-первых, накопление в нем избыточной массы снега, льда и камней в предшествующие годы, в том числе в результате обвалов окружающих Колку висячих ледников, и, во-вторых, скопление у ложа ледника воды («водной смазки») в результате таяния льда и дождей летом 2002 г. Непосредственным же толчком к катастрофе, по-видимому, явился обвал небольшого висячего ледника на поверхность ледника Колка.