7.9: Льодовикова тала вода

Льодовикова тала вода

Загальний

Льодовикова тала вода - це рідка вода, що утворюється шляхом абляції льодовиків. Тала вода в більшості льодовиків на сьогоднішній день є найважливішим продуктом абляції; це набагато важливіше, ніж випаровування. Звичайно, в льодовиках, які закінчуються в океані, отелення важливіше.

Значення льодовикових талих вод двояке:

• Він тісно пов'язаний з рухом льодовикового льоду, завдяки своєму впливу як на повзучість, так і на базальне ковзання.

• Тала вода може нести величезну кількість льодовикового осаду та відкладати цей матеріал поблизу або далеко від льодовика.

Тоді як активність льодовикового льоду найбільша поблизу лінії рівноваги, активність талих вод збільшується до максимуму на кінцевій частині льодовика.

Льодовикові талі води рясніють на поверхнях всіх льодовиків помірного клімату нижче снігової лінії. Навіть у сезон танення поверхневі талі води не поширені над сніговою лінією, оскільки вода легко занурюється в танення снігу. Внизу льодовика снігової лінії, однак, поверхневі потоки талих вод в сезон танення є звичайними. Тала вода присутня на полярних льодовиках тільки локально і тимчасово, тому що незабаром вона замерзає.

Зазвичай потоки талих вод на поверхні льодовика занурюються вниз в тіло льодовика, перш ніж вони досягнуть кінцевої лінії; пам'ятайте, що рідка вода щільніше льоду, тому тала вода намагається знайти шлях вниз в льодовик. Це трохи схоже на наливання води в каструлю з напівз'єднаних кубиків льоду. Ви знаєте, що врешті-решт відбувається: кубики льоду в кінцевому підсумку плавають у воді. У реальному сенсі тала вода льодовика має тенденцію працювати під льодовиком, щоб змусити льодовик плавати у власній талій воді. Єдине, що утримує справжній льодовик від того, щоб стати схожим на напівз'єднані кубики льоду, що плавають у вашому піддоні, - це те, що баланс між виробництвом та відведенням талої води сприяє дренажу над виробництвом.

Тала вода класифікується виходячи з того, де вона знаходиться в льодовику, як надльодовикова тала вода (на вершині льодовика), англійська тала вода (всередині льодовика) і підльодовикова тала вода (під льодовиком). Таким же чином джерела талих вод можна розглядати як поверхневі, внутрішні, так і базальні. На більшості льодовиків поверхневі джерела набагато більше внутрішніх або базальних джерел, на один або навіть два порядки. Поверхневі джерела сильно сезонні, але внутрішні та базальні джерела значною мірою не впливають на пори року.

Поверхневі джерела:

• Основним джерелом є абляція в літній сезон танення. Це різко падає на льодовик - просто зворотний бік звичайних річних вододілів.

• Опади на ділянці абляції, переважно в теплу пору року, є ще одним джерелом. У вузькому технічному сенсі це не тала вода, але вона не відрізняється від справжньої талої води і завжди розглядається однаково.

Внутрішні і базальні джерела:

• Якщо лід біля основи льодовика знаходиться в точці плавлення тиску, геотермальне тепло тане там лід, а не проводиться вгору. Залежно від місцевого значення теплового потоку, на це припадає один-два сантиметри товщини льоду на рік. Плівки талих вод біля підстав льодовиків спостерігалися безпосередньо.

• Тертя нагрівання як внутрішньою деформацією, так і базальним ковзанням викликають танення, якщо лід знаходиться в точці плавлення тиску. Це, як правило, становить щось на зразок 0,5 до 5 см льоду на рік.

• Деякі талі води утворюються шляхом плавлення теплом, що утворюється тертям самого потоку талої води. Величини не важливі, але цей ефект, здається, важливий у створенні та підтримці англоціальних та підльодовикових дренажних шляхів.

• Підземні води витікають з реголіту та основи під льодовиком, мають місцеве значення.

Дренажні шляхи

Ми спостерігаємо поверхневий стік у вигляді надльодовикових каналів, але ми також бачимо, як ці поверхневі потоки талих вод занурюються в тріщини і вертикальні трубчасті отвори, які називаються муліни. І ми бачимо важливі потоки талих вод, що виходять з-під льодовика на кінцевій лінії. Тож повинні бути важливі англоціальні та підльодовикові маршрути талих вод, а також надльодовикові шляхи.

Нескладно зробити випадкові дослідження поверхневого стоку талих вод, але детальних досліджень було мало. І вивчати підльодовикові і особливо англійські потоки складно, зі зрозумілих причин. Але є деякі досить надійні теоретичні підходи, які в цілому відповідають тому, що відомо про англіальний і підльодовиковий дренаж і його осадження наслідки.

Поверхневі потоки утворюються скрізь, де утворюється більше талої води, ніж може бути поглинена локально в льодовик або утримуватися як пориста вода в фірні або снігу на поверхні льодовика. Потокові канали варіюються за розміром від крихітних рулів до великих каналів шириною і глибиною в кілька метрів. Потоки можуть або не можуть бути розрізані в долини на поверхні льодовика; це залежить від відносних швидкостей плавлення каналів та міжканальної абляції.

Потоки талих вод на льодовиково-крижаних поверхнях мають сильну тенденцію до утворення меандрів, подібно до потоків, що протікають на суші. Звивисті на льоду не краще зрозумілі, ніж звивисті на осад, але, мабуть, є якась нестабільність, яка передбачає переважне танення в певні моменти і менше танення, або навіть повторне заморожування, в інших точках. Однак у багатьох інших випадках ходи каналів визначаються лініями структурної слабкості в льоду.

Надльодовикові потоки також мають тенденцію утворювати мережі дендритних потоків, як і потокові системи на суші. Але є кілька важливих відмінностей:

• Мережа щільна і схожа на бур; важко перерізати основні стовбурові потоки, коли лід рухається і деформується.

• Дренажний малюнок показує сильно підпаралельний малюнок, через відносно крутий схил льодовика.

• Щільність дренажу зменшується до льодовика, оскільки виробництво талих вод зменшується до льодовика.

• Схема каналу дуже мінлива: вона виглядає по-різному щороку залежно від розвитку нових англосіальних дренажних шляхів. Пам'ятайте, що вся поверхня льодовика рухається вниз по схилу, але зони загального розширення і стиснення льодовика, викликані підльодовиковим рельєфом порід, які, як правило, контролюють англоціальні дренажні шляхи, залишаються на одному місці. Муліни розвиваються, використовуються протягом декількох сезонів, а потім покидаються, оскільки нові з верхнього льодовика займають своє місце.

Динаміка течії талих вод під поверхнею

Ось деякі основні спостереження за англосіальним і підльодовиковим течією талих вод:

• У самій верхній зоні льодовика вода тече приблизно вертикально вниз по тріщинам і мулінів у вільному потоці. Ці вертикальні дренажні шляхи мають в них певний рівень води, який можна виміряти досить легко. (Намагайтеся не потрапляти в одну, хоча.) Цей рівень води змінюється з часом, на шкалах від годин до днів, залежно від температури повітря, сонячного світла та опадів.

• Як правило, зміни рівня води від мулена до мулена корелюють по всьому льодовику, що свідчить про існування пов'язаного рівня води всередині льодовика.

• Цей рівень води може варіюватися від прямо на поверхні льодовика, в періоди максимального виробництва талої води на початку сезону танення, коли не так багато легко експлуатуються проходів, до дуже глибоких (ймовірно, аж до основи льодовика) наприкінці сезону танення, коли проходи повністю розвинені, але подача талої води знизилася.

• Було мало спостережень за формами англійських дренажних шляхів нижче мулінів. Ці дренажні шляхи вважаються невертикальними, з великою горизонтальною складовою їх орієнтації. Один доказ: кругові англосіальні тунелі, помічені в обличчях свіжоотелених айсбергів навколо льодового покриву Гренландії. (Круговий тунель - це форма рівноваги, якщо вода тече в закритому каналі в льоду, оскільки приблизна ізотропія полікристалічного льоду, як правило, є хорошим припущенням, якщо лід знаходиться далеко від основи льодовика, де зсув внутрішньою деформацією найсильніший.)

• Час подорожі: барвник вводиться в точках занурення і контролюється, де з'являються підльодовикові потоки. Швидкість руху - це щось на кшталт 1—2 км на годину, але є широка варіативність. Це означає загальний час подорожі від одного до декількох днів на звичайних долиних льодовиках. Але швидкість повинна збільшуватися нижче за течією в межах певної дренажної системи: потік у великих крижаних тунелів на нижньому кінці мережі, ймовірно, дуже високий, багато метрів в секунду. Вражаючі фонтани, що утворилися там, де такі підльодовикові тунелі скидаються під воду в льодовикових озер, є хорошим доказом цього

• Що відомо про потік у великих підльодовикових тунелі? Часто потік, що виходить з тунелів, має вільну поверхню, але ця вільна поверхня зазвичай нахиляється вгору щодо даху у напрямку вище за течією, тому розумно припустити, що лише на невеликій відстані вище льодовика потік є замкнутим потоком трубопроводу, без вільної поверхні. А потоки, що закінчуються під льодовиковими озерами, явно течуть повно аж до кінця. Однак у періоди низького розряду ближче до кінця сезону плавлення більшість або всі трубопроводи мають в них вільні поверхні.

• Будь-який льодовиковий тунель нижче декількох десятків метрів, де лід може текти пластично, має тенденцію повністю закриватися припливом льоду, якщо він не підтримується відкритим якимось іншим способом. Тунель можна провести двома способами: тиском води, рівним гідростатичному тиску в самому льоду, або шляхом танення стінок тунелю проточною водою. На малюнку 7-27 показаний графік часу напіврозпаду для закриття вертикального льодового тунелю в залежності від тиску криги для льоду при температурі плавлення його тиску.

Малюнок 7-27. Час напіврозпаду для закриття вертикального льодового тунелю як функція тиску криги для льоду при температурі плавлення його тиску.

• Полікристалічний льодовиковий лід при температурі плавлення під тиском відомий як спостережливо, так і теоретично проникним для потоку води. Існують вени або крихітні проходи на тризернистих лінійних межах (рис. 5-28), які зустрічаються четвереньками на чотиризернистих точкових переходах. Ці з'єднання мають, як правило, чотиригранну форму. Це можна спостерігати при ретельній мікроскопічній роботі з льодом, а також це може бути виправдано з точки зору поверхнево-енергетичних аргументів. Кут стику двох крижаних зерен і рідкої води становить близько 20° (рис. 5-29). Тому вода завжди може просочуватися через теплий льодовик, незалежно від стану великих проходів.

Малюнок 7-28 (лівий). Ескіз водних проходів на тризернистих лінійних межах в льодовикових льодах.

Малюнок 7-29 (праворуч). Кут стику між двома крижаними зернами та рідкою водою становить близько 20°.

Основна ідея про гідравліку потоку талої води всередині льодовика полягає в тому, що між тиском води та крижаним тиском є збереження, що контролює розмір тунелів потоку. Щоб зрозуміти природу цих коригувань, подивіться на спрощений тунель (рис. 7-30), який простягається вертикально від поверхні до основи льодовика, а потім горизонтально до кінцевої частини. Стіл води - вільна поверхня води у вертикальній частині тунелю - показаний біля поверхні льодовика.

Якщо тунель занадто великий, він здатний нести більший скид, ніж подається з поверхні льодовика, і рівень води у вертикальному тунелі падає. Це зменшує тиск води далі в тунелі до значення, меншого, ніж тиск льоду навколо стінок тунелю, тому тунель закривається, тим самим звужуючи потік через тунель і викликаючи підвищення рівня води, поки тиск води не накопичиться, щоб бути рівним тиску льоду, стабілізації діаметра тунелю.

Малюнок 7-30. Спрощений тунель потоку води через льодовик.

Так само, якщо тунель занадто малий для даного скиду талої води, рівень води у вертикальній частині тунелю піднімається, тим самим збільшуючи тиск води до значення, більшого, ніж тиск льоду на стінці тунелю, тому тунель відкривається радіальним відтоком крижаної стінки, що призводить до збільшення скидання та падіння в грунті води. Діаметр тунелю при цьому знову стабілізується при величині, для якої тиск води дорівнює тиску льоду на стінки тунелю.

Відповідно до вищевикладеного аргументу прийнято вважати, що в сталому стані (постійний скид, певний рівень води, певний діаметр тунелю) тиск води дорівнює тиску льоду на кожному поперечному перерізі в тунелі. Але до цього має бути одна суттєва корекція. Випуск талої води через тунель має тенденцію до розплавлення стінок тунелю двома ефектами: (1) тепло, що утворюється тертям у потоці, і (2) тепло, що переноситься з поверхні талою водою, яка трохи вище замерзання. Таким чином, при рівновазі крижані стінки тунелю повинні текти всередину до центру тунелю з кінцевою швидкістю, щоб збалансувати цю швидкість танення стін. Описана вище регулювання модифікована таким чином, щоб тиск води було трохи більше тиску льоду.

Хороший випадок можна зробити для ще одного важливого наслідку цього ефекту плавлення стін: більші проходи ростуть за рахунок менших проходів. Причина? (1) більше тепла щодо площі стінки утворюється в'язким тертям у більших проходах, ніж у менших проходах; і (2) більше тепла щодо площі стінки переноситься надзамерзаючою водою з поверхні в більших проходах, ніж у менших проходах.

Наслідком є те, що через це диференціальне зростання більших проходів тривимірна мережа проходів у льодовику має тенденцію з часом ставати дендритною, причому притоки приєднуються до все більших магістральних проходів. Це в цілому узгоджується з нечисленними спостереженнями за закономірністю внутрішніх проходів талих вод в льодовиках.

РОЗШИРЕНА ТЕМА: ГІДРАВЛІКА ТЕЧІЇ ТАЛИХ ВОД В МЕЖАХ ЛЬОДОВИКІВ

1. Вертикальний, а потім горизонтальний прохід на малюнку 7-30, який використовувався для ілюстрації вищезазначених точок, явно нереальний. Який напрямок потоку талої води в льоду? Це питання, в свою чергу, призводить до того, що змушує воду текти всередині льодовика в першу чергу. Відповідь на це останнє питання: просторові градієнти в різниці між фактичним тиском води та гідростатичним тиском (тобто тиск, який вимірювався б у даній точці, якби вода не рухалася).

2. Малюнок 7-31 показує цей ефект в спрощеному проході. Гідростатичний тиск постійний по всьому горизонтальному сегменту проходу, але вода тече з вищого резервуара в нижній резервуар через градієнт тиску води, викликаний різницею рівня води між двома резервуарами. Якщо це вас не переконує, просто врахуйте, що стан потоку в горизонтальному сегменті буде точно таким же, якщо ви збільшите рівень води в обох резервуарах на однакову вертикальну відстань, тим самим змінюючи гідростатичний тиск, але не градієнт тиску.

Малюнок 7-31. Витрата води в горизонтальному проході за рахунок градієнта тиску води.

3. Тепер подивіться на ситуацію в реальному льодовику. Подумайте про тиск води і тиск льоду в точці Р всередині льодовика (рис. 7-32). H - висота поверхні льоду над довільною базою, а z - висота точки P над тією ж базою. Тиск льоду\(p_{i}\) в точці Р дорівнює

\(p_{i}=\rho _{i}g(H-z)\)(14)

а тиск води p w в цій же точці приблизно

\(p_{w}=p_{i}\)(15)

за лінією міркувань у пунктах 9.3.2 - 9.3.4. (Забудьте про невеликий ефект танення настінного льоду.)

Малюнок 5-32. Ескіз визначення для аналізу впливу тиску води та тиску льоду в точці льодовика.

4. Вода має тенденцію рухатися по мережі проходів у напрямку градієнта потенціалу,\(\Phi\) який можна представити як сімейство плавно згинаються поверхонь з тією властивістю, що напрямок найбільш швидкого зниження тиску води всюди нормально для поверхонь. Це всього лише узагальнення думки про те, що в одновимірній ситуації на кшталт прямої круглої труби вода рухається в бік зниження тиску. (Це так само, як гравітаційна потенційна функція, яка описує напрямок падіння тіл у всіх точках біля поверхні Землі, що є напрямком найбільш швидкого збільшення або зменшення потенційної енергії при русі тіла вгору або вниз в гравітаційному полі Землі.)

5. Потенціал може бути представлений рівнянням на кшталт

\(\Phi =\Phi _{o}+p_{w}+\rho _{w}gz\)(16)

де перший член праворуч - це просто довільна адитивна константа, другий термін - фактичний тиск води, а третій термін - гідростатичний тиск, який буде вироблятися стовпом нерухомої води над заданою точкою.

6. Підставляючи рівняння 14 і 15 в рівняння 16, щоб позбутися від p w і p i, ігноруючи довільну константу\(\Phi _{o}\),

\ (\ Пхі = р_ {я} +\ рхо _ {ш} гз
=\ рхо _ {я} г (Н-з) +\ рхо _ {ш} гз
=\ рхо _ {i} ГГ+ (\ rho _ {w} -\ rho _ {i}) ГЗ\) (17)

(Пам'ятайте, що напрямок дренажу буде нормальним для рівнопотенційних поверхонь.)

7. Кут\(\alpha \) занурення цих рівнопотенціальних поверхонь можна знайти за допомогою малюнка 5-33:

\(tan\alpha =\frac{\frac{\partial \Phi }{\partial x}}{\frac{\partial \Phi }{\partial z}}\)(18)

або, вирішуючи для кута

\(\alpha =arctan\frac{\frac{\partial \Phi }{\Phi x}}{\frac{\partial \Phi }{\partial z}}\)(19)

Малюнок 7-33. Потік води в льодовику у відповідь на градієнт потенціалу.

Враховуючи це\(\rho _{i}=0.9\rho_{w}\), результат у Рівнянні 19 говорить нам, що englacial тунелі схиляються вниз льодовика приблизно в 11 разів крутіше, ніж поверхня льодовика!

8. Тоді що відбувається, коли проходи досягають основи льодовика? Підльодовикові тунелі обмежені слідувати локусу найкрутішого спуску компонента потенційної функції\(\Phi\) паралельно локально ложу льодовика. (Просто подумайте з точки зору кривих, що лежать на ложе льодовика, які утворюються перетинами рівнопотенціальної поверхні з ліжком, а потім приймаючи напрямки на ліжку, які є нормальними до тих кривих перетину.) На горизонтальному ложе льодовика це в тому ж напрямку, що і поверхневий ухил. Але якщо ліжко льодовика не рівне, тунелі можуть перетинати корінні розділи. Можуть бути навіть підльодовикові озера, де є «дупла» в рівнопотенціальних поверхнях (тобто де напрямки, нормальні до рівнопотенціальних поверхонь, опускаються локально під більш м'яким кутом, ніж русло льодовика).