7.8: Теплова структура льодовиків

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37034

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Теплова структура льодовиків

Процеси енергетичного обміну на кордоні льодовика

Льодовик може отримувати або втрачати тепло декількома способами. Зрозуміло, що ці процеси діють як на поверхні льодовика, так і біля основи льодовика. Що це за процеси, і яке їх відносне значення? У таблиці 1 наведено способи отримання або втрати тепла льодовиком на його поверхні.

Перш за все, майте на увазі, що сукупний ефект всіх цих процесів залежить від того, чи знаходиться льодовик в точці плавлення або нижче температури плавлення (рис. 7-25). Очевидно, що якщо температура льодовика нижче температури плавлення, то ефект додавання тепла полягає в підвищенні температури, а ефект відбору тепла полягає в зниженні температури. Але якщо температура льодовика знаходиться на точці плавлення, то додавання тепла служить для танення льодовикового льоду. Звичайно, відбір тепла, коли льодовик знаходиться в точці плавлення, знижує температуру нижче температури плавлення.

Таблиця 7-1. Теплообмінні процеси, пов'язані з льодовиком.

Важливим непрямим фактором у всьому цьому є теплопровідність всередині льоду. Це спосіб переміщення тепла на поверхню льодовика або з неї, і він контролює швидкість випромінювання або провідність тепла на поверхні льодовика, оскільки поверхневе випромінювання та провідність є функцією температури поверхні льоду.

Малюнок 7-25. Вплив теплообмінних процесів на температуру льодовика.

Ось кілька різних описових моментів щодо таблиці 7-1, зазначених за номером:

(1) Сонячна константа - це швидкість, з якою Сонце доставляє тепло на Землю. Умовно прийнято вважати величиною, яка вимірювалася б поза земною атмосферою, коли відстань між Сонцем і Землею знаходиться на середньорічній відстані. Значення сонячної постійної дуже близьке до 2 кал/см ² -хв.

(2) Альбедо Землі - це відсоток вхідної сонячної радіації, яка відбивається безпосередньо назад у космос, в середньому. Альбедо льодовика значно змінюється: снігові поверхні мають альбедо 0,7-0,9, але льодовиковий лід має альбедо всього 0,2-0,4.

(3) Обмін поверхневою енергією сильно відрізняється під ясним небом та під хмарним небом. Під ясним небом бере участь випромінювання безпосередньо в космос; зазвичай льодовик втрачає тепло, якщо повітря не дуже тепле. Під хмарним небом напрямок чистого потоку енергії залежить здебільшого від відносної температури хмар і льоду.

(4) Це було б незначним без впливу вітру. Коли дме вітер, виникає турбулентна дифузія, яку ви знаєте з розділу про динаміку рідини в главі 1, набагато більша, ніж молекулярна дифузія; тоді провідність до або з вищевказаного повітря може бути дуже важливою.

(5) Це незначний ефект.

(6) Це не важливо, якщо лід знаходиться в точці плавлення; 10 см/день дорівнює одному дню довгохвильового випромінювання. Але якщо дощ замерзає при падінні, то це може бути важливим ефектом.

Енергетичний обмін біля основи льодовика - справа простіше, а величини енергетичного потоку не тільки набагато менші, але і набагато менш змінні. Геотермального тепла вистачає, щоб розтопити близько 5 мм льоду на рік. Це може звучати не так багато, але в льодовику, базальний лід якого знаходиться в точці плавлення, він відіграє значну роль у русі льодовика, завдяки змащувальному ефекту тонкої плівки води, яка постійно виробляється, а потім повільно стікає. Там також тепло від внутрішнього тертя. Це, як правило, виробляється в основному в нижній частині льодовика, як через базальне ковзання, так і тому, що зсув найсильніший у нижній частині льодовика. Швидкість тепловиділення внутрішньою деформацією варіюється від значно меншої до значно більшої, ніж тепловий потік з нижньої породи, але це приблизно такий же порядок.

Теплові характеристики льодовиків

Температурні характеристики льодовиків важливі, оскільки деформація льоду, а отже, і потік льодовиків, сильно залежить від температури льоду. Спочатку думав, може здатися, що всі льодовики холодні. Але важливе розмежування може бути зроблено між

холодний лід: лід нижче температури плавлення тиску (рідкої води бути не може), і

теплий лід: лід при температурі плавлення під тиском (є принаймні трохи рідкої води, під зернами або між ними).

Нагадаємо з глави 1, в розділі про воду, що температура плавлення льоду трохи падає при збільшенні тиску. Це означає зменшення приблизно на 2° C під товстим крижаним покривом. Тому насправді є градієнт температури вниз в льодовику, хоча він невеликий.

Ви не можете класифікувати весь льодовик як теплий або холодний, оскільки зазвичай верхня частина або географічний інтер'єр льодовика має холодний лід, а нижня частина або нижня широта має теплий лід. Але в даному географічному регіоні льодовика, якщо льодовик такий, що взимку весь лід знаходиться нижче температури плавлення, і тільки поверхнева частина влітку піднімається до точки плавлення, льодовик, як кажуть, холодний льодовик. З іншого боку, якщо влітку весь лід піднімається до температури плавлення, і лише частина охолоджується нижче температури плавлення взимку, льодовик, як кажуть, теплий льодовик.

Одне з найважливіших наслідків теплової структури льодовиків пов'язане з базальними явищами. Тому можна говорити про льодовиках на теплому основі та льодовиках на холодній основі. Прийнято вважати, що льодовики на холодній основі демонструють мало або взагалі не мають базального ковзання; лід швидко застигає до основи, і весь рух здійснюється внутрішньою деформацією. З іншого боку, теплий льодовик має тонкий шар води біля основи, що полегшує базальне ковзання.

Холодний лід утворюється двома різними способами:

(1) Накопичення відбувається при температурі настільки низької, що влітку не відбувається поверхневого танення. Це стосується більшої частини льодового покриву Антарктики. Температура ферми і льоду нижче рівня сезонної зміни температури приблизно така ж, як і середньорічна температура повітря на ділянці. Але температура зростає вниз, через геотермального тепла. Див. Малюнок 7-26. Дві протилежні тенденції визначають хід кривої на малюнку 7-26: (1) значення геотермального теплового потоку знизу та (2) швидкість накопичення фірну, яка має тенденцію «переносити холод вниз» в крижаний покрив.

Малюнок 7-26. Графік температури льоду проти глибини в товстому холодному льодовику.

(2) Охолодження поверхневого шару зимовим холодом. Цей ефект поширюється на 20 м, що відбувається на поверхнях всіх льодовиків взимку.

Як утворюється теплий лід? За допомогою нагрівання піднімати лід до температури його плавлення (де завгодно). Це відбувається на поверхні льодовика, за допомогою одного або декількох процесів теплообміну, перерахованих вище, утворює поверхневий теплий шар, а потім тала вода просочується вниз і прогріває лід шляхом повторного заморожування. Це важливий ефект: коли 1 г талої води замерзає, виділяється достатньо прихованого тепла, щоб підняти 160 г льоду на 1°C. Зверніть увагу також, що приховане тепло є єдиним джерелом для прогріву на глибині, оскільки там майже немає градієнта температури і, отже, майже немає провідності.

Теплий лід виробляється біля основи льодовика базальними джерелами тепла. Цьому сприяють такі обставини:

• густий лід

• висока температура поверхні

• низька швидкість накопичення

• висока швидкість льоду

На великих площах як льодових покривів Антарктики, так і Гренландії, базальний лід знаходиться в точці плавлення під тиском!

Важливим моментом є те, що коли навіть тонкий шар теплого льоду утворюється біля основи льодовика, температурний градієнт становить близько нуля, тому для танення використовується все базальне тепло (фрикційне і геотермальне), тому що немає провідності. Це забезпечує безперервну подачу талої води біля основи льодовика.