16.2: Як працюють льодовики

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36610

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

Малюнок\(\PageIndex{1}\) Частина континентального льодового покриву в Гренландії, з деяким відтоком альпійських льодовиків на передньому плані.

Існує два основних типи льодовиків. Континентальні льодовики охоплюють великі ділянки суші в екстремальних полярних регіонах, включаючи Антарктиду і Гренландію (рис.\(\PageIndex{1}\)). Альпійські льодовики (він же долині льодовиків) походять на горах, переважно в помірних і полярних регіонах (рис.\(\PageIndex{1}\)), але навіть у тропічних регіонах, якщо гори досить високі.

Два великих континентальних льодовика Землі, на Антарктиді та Гренландії, складають близько 99% всього льодовикового льоду у світі та приблизно 68% всієї прісної води Землі. Як видно з малюнка\(\PageIndex{2}\), Антарктичний льодовий щит значно більший, ніж крижаний покрив Гренландії; він містить приблизно в 17 разів більше льоду. Якби весь антарктичний льодовий щит розтанув, рівень моря підніметься приблизно на 80 м, і більшість великих міст Землі були б повністю занурені.

Малюнок\(\PageIndex{2}\) Спрощений поперечний переріз профілів континентальних льодових покривів Гренландії та Антарктиди - обидва малюються в однаковому масштабі.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Принципова схема потоку льоду для Антарктичного льодового покриву.

Континентальні льодовики не течуть «під гору», оскільки великі площі, які вони покривають, як правило, рівнинні. Натомість лід тече з області, де він найтовстіший, до країв, де він тонший, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Це означає, що в центральних найбільш товстих ділянках лід тече майже вертикально вниз до основи, в той час як в периферійних - витікає до країв. У континентальних льодовиках, таких як Антарктида та Гренландія, найтовстіші частини (4000 м та 3000 м відповідно) - це райони, де швидкість снігопаду і, отже, швидкість накопичення льоду найвищі.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) Принципова схема потоку льоду для альпійського льодовика.

Потік альпійських льодовиків в першу чергу контролюється схилом суші під льодом (рис.\(\PageIndex{4}\)). У зоні накопичення швидкість снігопаду більше швидкості плавлення. Іншими словами, не весь сніг, який випадає кожну зиму, тане протягом наступного літа, а крижана поверхня завжди покрита снігом. У зоні абляції тане більше льоду, ніж накопичується у вигляді снігу. Лінія рівноваги позначає межу між зонами накопичення (вгорі) і абляції (внизу).

Малюнок\(\PageIndex{5}\) Етапи в процесі формування льодовикового льоду зі снігу, гранул і фірн.

Над лінією рівноваги льодовика не весь зимовий сніг тане наступного літа, тому сніг поступово накопичується. Сніговий шар з кожного року покривається і ущільнюється подальшим снігом, і він поступово стискається і перетворюється в фірн, всередині якого сніжинки втрачають свої ніжні форми і стають гранулами. При більшому стисненні гранули виштовхуються разом і видавлюється повітря. Зрештою гранули «зварюються» разом для створення льодовикового льоду (рис.\(\PageIndex{5}\)). Внизу просочування води від танення, що відбувається на поверхні, сприяє процесу утворення льоду.

Лінія рівноваги льодовика поблизу Вістлера, до н.е., показана на малюнку\(\PageIndex{6}\). Нижче цієї лінії, в зоні абляції, оголений лід піддається тому, що сніг минулої зими весь танув; над цією лінією лід все ще в основному покритий снігом минулої зими. Положення лінії рівноваги змінюється з року в рік як функція балансу між накопиченням снігу взимку і таненням снігу влітку. Більше зимового снігу та менше літнього танення, очевидно, сприяє просуванню лінії рівноваги (та передньої межі льодовика), але з цих двох змінних саме літній танення має найбільше значення для бюджету льодовика. Прохолодне літо сприяє льодовиковому просуванню, а тепле літо сприяє льодовиковому відступу.

\(\PageIndex{6}\)Малюнок Приблизне розташування лінії рівноваги (червоний) у вересні 2013 року на льодовику Оверлорд, поблизу Вістлера, до н.е.

Льодовики рухаються через те, що поверхня льоду похила. Це створює навантаження на лід, яке пропорційно нахилу і глибині під поверхнею. Як показано на малюнку\(\PageIndex{6}\), напруги досить малі біля поверхні льоду, але набагато більші на глибині, а також більші в районах, де поверхня льоду відносно крута. Лід деформується, що означає, що він буде вести себе пластично, при рівнях напруги близько 100 кілопаскалей; отже, у верхніх 50 м до 100 м льоду (над пунктирною червоною лінією) потік не пластичний (лід жорсткий), тоді як нижче цієї глибини лід пластичний і буде текти.

Коли нижній лід льодовика тече, він рухає верхній лід разом з ним, тому, хоча це може здатися з моделей напружень (червоні цифри та червоні стрілки), показані на малюнку,\(\PageIndex{7}\) що нижня частина рухається найбільше, насправді тоді як нижня частина деформується (і тече), а верхня частина взагалі не деформується, верхня частина рухається швидше за все, тому що вона проштовхується по нижньому льоду.

Малюнок\(\PageIndex{7}\) Напруження всередині льодовика долини (червоні числа) визначається на основі нахилу поверхні льоду та глибини всередині льоду. Лід буде деформуватися і текти там, де напруга перевищує 100 кілопаскалей, а відносна ступінь цієї деформації зображена червоними стрілками. Будь-який деформаційний рух в нижньому льоду буде передаватися льоду безпосередньо над ним, тому, хоча червоні стресові стрілки стають коротшими до вершини, швидкість льоду збільшується вгору (сині стрілки). Верхній лід (над червоною пунктирною лінією) не тече, а штовхається разом з нижнім льодом.

Пластиковий нижній лід льодовика може текти, як дуже в'язка рідина, і тому може протікати по нерівностях основи льоду і навколо кутів. Однак верхній жорсткий лід не може протікати таким чином, і оскільки він переноситься нижнім льодом, він, як правило, тріскається там, де нижній лід повинен згинатися. Це призводить до розвитку тріщин на ділянках, де змінюється швидкість течії пластичного льоду. Наприклад, на ділянці\(\PageIndex{8}\), показаному на малюнку, льодовик прискорюється по крутій місцевості, і жорстка поверхня льоду повинна тріснути, щоб врахувати зміну швидкості.

\(\PageIndex{8}\)Малюнок тріщин на льодовику Оверлорда в районі Вістлера, до н.е.

Пластиковий нижній лід льодовика може текти, як дуже в'язка рідина, і тому може протікати по нерівностях основи льоду і навколо кутів. Однак верхній жорсткий лід не може протікати таким чином, і оскільки він переноситься нижнім льодом, він, як правило, тріскається там, де нижній лід повинен згинатися. Це призводить до розвитку тріщин на ділянках, де змінюється швидкість течії пластичного льоду. Наприклад, на ділянці\(\PageIndex{8}\), показаному на малюнку, льодовик прискорюється по крутій місцевості, а жорстка поверхня льоду повинна тріснути, щоб врахувати зміну швидкості

Підстава льодовика може бути холодним (нижче точки замерзання води) або теплим (вище точки замерзання). Якщо тепло, між льодом і матеріалом під ним, швидше за все, буде плівка води, і лід зможе ковзати по цій поверхні. Це відоме як базальне ковзання (рис.\(\PageIndex{9}\), зліва). Якщо основа холодна, лід буде заморожений до матеріалу під ним, і він застрягне - не зможе ковзати вздовж його основи. При цьому весь рух льоду буде здійснюватися внутрішнім потоком.

Малюнок\(\PageIndex{9}\) Відмінності руху льодовикового льоду з базальним ковзанням (ліворуч) і без базального ковзання (праворуч). Пунктирна червона лінія вказує на верхню межу внутрішнього потоку пластику.

Одним з факторів, що впливає на температуру біля основи льодовика, є товщина льоду. Лід - хороший утеплювач. Повільна передача тепла від надр Землі забезпечує достатню кількість тепла, щоб прогріти основу, якщо лід товстий, але недостатньо, якщо він тонкий і що тепло може вийти. Типово, що передній край альпійського льодовика є відносно тонким (див. Рисунок\(\PageIndex{7}\)), тому зазвичай ця частина заморожується до основи, поки решта льодовика все ще ковзає. Це проілюстровано\(\PageIndex{10}\) на малюнку для льодовика Атабаска. Оскільки передній край льодовика прилипне до його замороженої основи, тоді як решта продовжує ковзати, лід, що йде ззаду, штовхнув (або тягнув) себе над верхньою частиною, яка швидко застрягла.

Малюнок\(\PageIndex{10}\) Тяга розломів на передньому краю льодовика Атабаска, Альберта. Стрілки показують, як причіпний лід був насунутий над провідним льодом. (Темні вертикальні смуги - це бруд з відкладень, змитих з бічної морени, що лежить на поверхні льоду.)

Малюнок\(\PageIndex{11}\) Маркери на альпійському льодовику рухаються вперед протягом певного періоду часу, а ті, що знаходяться в середині, рухаються швидше, ніж ті, що знаходяться на краю.

Подібно до того, як основа льодовика рухається повільніше поверхні, краю, на які більше впливає тертя уздовж боків, рухаються повільніше, ніж середина. Якби ми розмістили серію маркерів на альпійському льодовику і повернулися через рік, ми побачили б, що ті, що знаходяться посередині, рухалися далі вперед, ніж ті, що знаходяться біля країв (рис.\(\PageIndex{11}\)).

Малюнок\(\PageIndex{12}\) Mt. Робсон, найвища вершина Канадських Скелястих гір, льодовик Берг (центр) та озеро Берг. Хоча на цій фотографії не було видно айсбергів, льодовик Берг втрачає масу, проливаючи айсберги в озеро Берг.

Льодовиковий лід завжди рухається вниз, у відповідь на гравітацію, але передній край льодовика завжди або тане, або отелення в воду (проливаючи айсберги). Якщо швидкість руху льодовика вперед швидше швидкості абляції (танення), передня кромка льодовика просувається (рухається вперед). Якщо швидкість руху вперед приблизно така ж, як швидкість абляції, передня кромка залишається нерухомою, а якщо швидкість руху вперед повільніше швидкості абляції, передня кромка відступає (рухається назад).

Отелення айсбергів - важливий процес для льодовиків, які закінчуються в озерах або океані. Прикладом такого льодовика є льодовик Берга на горі. Робсон (рис.\(\PageIndex{12}\)), який проливає невеликі айсберги в озеро Берг. Льодовик Берга також втрачає масу при таненні, особливо на нижчих висотах.

Вправа 16.2 Просування льоду і відступ

Ці діаграми представляють льодовик з маркерами, розміщеними на його поверхні для визначення швидкості руху льоду протягом одного року. Лід тече зліва направо.

На середній діаграмі просунулася передня кромка льодовика. Малювати в поточному положенні маркерів.
На нижній діаграмі відступила передня кромка льодовика. Малювати в поточному положенні маркерів.

Див Додаток 3 для вправ 16.2 відповіді.

Описи зображень

Опис\(\PageIndex{2}\) зображення на малюнку: Поперечний переріз льоду на схід на захід Антарктиди має довжину понад 4000 км і висотою до 4 км в деяких місцях. Поперечний переріз льоду на схід на захід у Гренландії має довжину менше 1000 км і висотою до 3 км. [Повернутися до малюнка\(\PageIndex{2}\)]

Опис\(\PageIndex{5}\) зображення малюнка: Порівняльна щільність сніжинок, крижаних гранул, фірн та льоду.
Форма	Кількість повітря	Щільність (грам на сантиметри в кубі)
Сніжинка	90%	Менше 0,1
Крижані гранули	50%	Приблизно від 0.3 до 0.5
Фірн	30%	Приблизно від 0,5 до 0,7
Лід	20% (у вигляді бульбашок)	Більше 0,7

[Повернутися до малюнка\(\PageIndex{5}\)]

Атрибуції ЗМІ

Ілюстрація\(\PageIndex{6}\): «Оверлорд льодовик» Ісаака Ерла. Адаптовано Стівеном Ерлом. КУБ.СМ ПО.
Ілюстрація\(\PageIndex{8}\): «Ущелини на льодовику Оверлорда» Ісаака Ерла. КУБ.СМ ПО.