Ледники

Ледники (далее Л), движущиеся естественные скопления льда атмосферного происхождения на земной поверхности. Образуются из твердых атмосферных осадков там, где в течение года их отлагается больше, чем стаивает и испаряется; соответственно состоят из области питания и области абляции, разделенных границей питания (линией на леднике, на которой приход льда в течение года равен расходу). В холодных районах область абляции может быть представлена только краевым обрывом, от которого откалываются айсберги (антарктический ледниковый покров) или ледяные лавины (висячие Л). Размеры, форма и строение Л обусловлены формой вмещающего ложа, соотношением между приходом и расходом льда через внешнюю поверхность и его медленным движением под действием силы тяжести.   Распространение, размеры и морфология. В пределах тропических и умеренных широт Л существуют в высоких горах, а в достаточно влажных полярных областях - также на низменностях и мелководных морях (см. Ледник шельфовый). Морфологически Л делятся на три типа: наземные ледниковые покровы, шельфовые Л и горные Л В наземных покровах лед растекается от ледоразделов к периферии независимо от рельефа дна; в шельфовых Л - от берега к морю, в виде плавучих или частично опирающихся на дно плит; в горных Л лед стекает вниз по долинам или склонам. Форма горных Л разнообразна и зависит от подстилающего рельефа. Среди горных Л различают: висячие (залегающие на крутых высоких склонах гор), каровые (расположенные в углублениях - карах привершинной части гор), ледники долинные (простые, сложные и дендритовые), сетчатые, предгорные и др. Л простираются на расстояние от сотни метров до 5600´2900 км и имеют толщину от 10-20 м до нескольких км (измеренная толщина антарктического ледникового покрова достигает 4,3 км). Самый крупный горный Л - ледник Беринга на Аляске имеет длину 170 км, а в СССР - ледник Федченко на Памире - 77 км. Общая площадь современного Л около 16,1 млн. км2 (11% площади суши), общий объем - порядка 30 млн. км3. Соответственно 89,6% и 98% приходится на материковые ледниковые покровы, 9,1% и около 2% - на шельфовые Л, 1,3% и около 0,1% - на горные Л Площадь Л в СССР составляет 71665 км2, в том числе: Район км2 Район км2 Земля Франца-Иосифа   о. Виктория Новая Земля   о. Ушакова Северная Земля   о-ва Де-Лонга Урал Таймыр Хребты Верхоянский, Черского и Колымское нагорье 13735 11 22423 325 12472 79 29 40 223 Корякское нагорье Камчатка Хребет Кодар (Становое нагорье) Восточный Саян Алтай Джунгарский Алатау Тянь-Шань Памир Большой Кавказ Малый Кавказ 205 866 19 30 св. 800 1120 8622 8400 1430 3   Аккумулируя громадное количество чистой пресной воды, Л оказывают существенное влияние на многие стороны хозяйственной деятельности человека. Особенно велика роль Л в засушливых областях, например в Средней Азии, где значительная доля питания рек принадлежит ледниковым водам. Чтобы научно подойти к проблеме рационального использования и восполнения водных ресурсов) заключенных в Л, необходимо знать условия накопления и расхода вещества Л, характер и режим поверхностных и внутренних процессов.   Режим поверхностных процессов. Распределение прихода и расхода льда па поверхности Л меняется во временя в зависимости от состояния атмосферы и представляет функцию альбедо, высоты, наклона, кривизны данного участка поверхности Л и его ориентации относительно солнца и ветра. Расчет скорости питания и абляции, по данным о состоянии атмосферы и поверхности, составляет задачу гляциометеорологии, общую для всех видов снежно-ледяного покрова.   Превращение снега в фирн и лед в области питания происходит путем оседания под давлением накапливающихся сверху слоев с рекристаллизацией и путем частичного таяния и замерзания просачивающейся в поры воды. В зависимости от доли участия этих процессов на поверхности Л выделяют зоны льдообразования, распространение которых обусловлено соотношением количества атмосферных осадков и летнего таяния (см. рис.). Внутри материковых покровов и высоко в горах, где таяния нет, расположена рекристаллизационная, или снежная, зона; фирн превращается в лед на большой глубине, и температура фирна на глубине затухания годовых температурных колебаний равна средней годовой температуре воздуха (на мировом полюсе холода в центре Антарктиды глубина залегания льда более 100 м, средняя температура -61°С и абсолютный минимум порядка -90°С). Ниже находится холодная инфильтрационная, или фирновая, зона, где вся талая вода замерзает в порах фирна, не превращая его в лед и не прогревая всю толщу до точки таяния. Еще ниже имеет место дифференциация зон льдообразования: в сухих холодных районах распространена зона ледяного питания, где снежный покров, пропитываясь водой, ежегодно превращается в слой льда (наложенный лед), и температура подстилающего льда остается отрицательной, а в сравнительно теплых и влажных районах нижняя часть области питания принадлежит к теплой инфильтрационной, или фирновой, зоне, в которой талая вода просачивается сквозь фирновую толщу, прогревая ее до температуры таяния, и стекает с ледника по трещинам, внутри и подледниковым каналам. Благодаря разному механизму проникновения теплой и холодной волн теплая фирновая зона распространяется в районы со средней температурой воздуха до -8°С; где ниже, в области абляции, температура льда отрицательна. Под фирновой толщей плотность льда меняется за счет сжатия воздушных включений пренебрежимо мало, резко возрастая лишь в донном слое от примеси морены.   Режим внутренних процессов. Под действием силы тяжести в Л возникает поле напряжения, вызывающего деформацию льда. Под медленно меняющейся нагрузкой поликристаллический лед деформируется как макроскопически изотропная нелинейно-вязкая жидкость с гиперболической зависимостью установившейся скорости ползучести от девиатора напряжения (разности между напряжением и давлением) и экспоненциальной зависимостью от абсолютной температуры (Т). Течение сопровождается рекристаллизацией, после которой скорость на порядок возрастает. Под достаточно высоким напряжением в верх. слое возникают трещины растяжения, а в глубине - сколы. При температуре, близкой к температуре таяния, движение по плоскостям надвигов сопровождается таянием и повторным замерзанием с образованием ленточной текстуры. В тех же условиях лед скользит по дну в результате таяния под повышенным давлением перед выступами дна и замерзания выдавливаемой воды за ними, а также вследствие ускоренного обтекания льдом выступов дна благодаря концентрации напряжении. При этом происходит выпахивание дна удерживаемыми льдом обломками горных пород (см. Экзарация).   Взаимосвязанные поля напряжения, скорости и температуры Л описываются системой из 18 дифференциальных уравнений с частными производными, которая включает: уравнения, выражающие законы сохранения массы (уравнение неразрывности), сохранения энергии (уравнение теплопроводности - теплопереноса - тепловыделения при деформировании) и сохранения количества движения (ввиду малой скорости сводящиеся к уравнениям равновесия сил); уравнения связи между скоростью течения, напряжением и температурой (реологические); уравнения совместности компонент тензора скорости деформации, выражающие условия интегрируемости вихревого поля скорости льда. Поля напряжения, скорости и температуры Л определяются краевыми условиями на их внешних поверхностях. Верхняя и подводная поверхности находятся под гидростатическим давлением (атмосферы или воды) и свободны от касательных напряжений, а нижняя поверхность наземных ледников испытывает, кроме того, касательные напряжения, обусловленные трением о дно. Температура верхнего слоя на уровне затухания годовых колебаний зависит от средней температуры воздуха и зоны льдообразования. Подводная поверхность имеет температуру таяния, а температура на дне обусловлена соотношением притока геотермического тепла и его оттока внутрь ледника, т. е. температурным градиентом, а также движением льда. Если приток тепла превышает отток, то на дне происходит таяние и скольжение льда под действием касательного напряжения, причем теплота донного трения также затрачивается на таяние.   В случае однородного изотермического (тающего) льда поля напряжения и скорости описываются системой эллиптических уравнений, а изменения их во времени вызываются только изменениями краевых условий. Аналитическое решение получено лишь для плоского течения в вязком (ньютоновском) приближении, приводящем к бигармоническим уравнениям для компонент девиатора напряжения и скорости деформации. Для трехмерных ледников, тонких по сравнению с горизонтальными размерами и без крупных неровностей дна, удовлетворительное приближенное решение получается при пренебрежении нормальными компонентами напряжения, которые в таких условиях на 1-2 порядка меньше касательных.   Наблюдения и расчеты дают поля скорости Л с особыми точками (максимумами и минимумами) и линиями (стрежнями и ледоразделами) на внешней поверхности, которые тесно связаны с морфологией, поскольку скорость на верхней поверхности пропорциональна ее наклону и толщине льда не менее чем в 3-5-й степени. С глубиной скорость соответственно уменьшается, причем, чем ближе к дну, тем быстрее. Т. о., в Л происходит как бы скольжение друг по другу тонких слоев льда, приблизительно параллельных дну, растягивающихся в продольном направлении и утоньшающихся в области питания и одновременно сжимающихся в продольном направлении и утолщающихся в области абляции. Эта деформация сопровождается поперечным сжатием или растяжением от изменений ширины в горных Л и растяжением при радиальном растекании ледниковых покровов. Линии тока входят внутрь Л в области питания, выходят из Л в области абляции и параллельны поверхности на границе питания.   В холодных Л на дне скорость равна нулю, а основная деформация сдвига имеет место в относительно более теплом придонном слое, где выделяется теплота деформирования, тогда как жесткий верхний лед движется, почти не деформируясь. Значительное влияние на температурное поле оказывает перенос холода льдом, опускающимся внутрь Л в области питания и движущимся в более теплые нижние части Л, вследствие чего там температура сначала понижается с глубиной, а затем повышается в придонных слоях от внутреннего тепловыделения и геотермического тепла. В изотермических Л вся теплота деформирования затрачивается на внутреннее таяние льда. Чем выше напряжение сдвига, тем больше скорость скольжения по дну, так что скользящие друг по другу тонкие слои льда в изотермических Л не параллельны дну, а как бы срезаны им. Часть линий тока кончается на дне и внутри Л, где происходит донное и внутреннее таяние.   В стационарном состоянии линии тока совпадают с траекториями частиц льда, что дает возможность вычислить соответствующее этому состоянию поле возраста льда (положение изохронных поверхностей и годовых слоев льда). В плане линии тока отклоняются от линий наклона поверхности (в горных Л до 45°) в направлении, противоположном стрежню под действием вращающего момента, создаваемого торможением со стороны медленнее движущихся боковых масс льда. Максимальная скорость у горных Л обычно составляет от нескольких м/год у малых Л до нескольких сотен м у крупных; 1,9 км/год у шельфовых и до 7,3-13,8 км/год у некоторых выводных Л западного края гренландского ледникового покрова.   Колебания. В стационарном состоянии Л положение его поверхности не меняется, т.к. сумма скоростей движения поверхности по нормали к ней самой за счет питания или абляции и за счет движения льда равна нулю. Однако это условие никогда не выдерживается прежде всего из-за чередований погоды и сезонов года, так что в лучшем случае возможно лишь квазистационарное состояние с возвращением к исходному положению после годового цикла изменений. В нестационарном состоянии Л внешняя граница питания не совпадает с кинематической границей, на которой вектор скорости параллелен поверхности, и нормальная к поверхности компонента скорости равна нулю. Положение кинематической границы питания значительно более устойчиво, чем внешней, она перемещается медленно, поэтому представляет собой одновременно структурную границу между областью параллельного поверхности залегания годовых слоев вверху и областью обнажения внутренних структур и морен внизу. В процессе колебаний Л происходят изменения величины скорости, а также медленные изменения конфигурации поля скорости - направления линий тока и положения особых точек и линий.   Природа колебаний Л определяется следующими их физическими особенностями: неавтономностью, диссипативностью и апериодичностью (отсутствием восстанавливающих сил и сопротивлением возмущающим силам только со стороны квазивязкой диссипации), активностью (наличием внутренних источников гравитационной энергии), нелинейностью кинематических связей и граничных условий, неоднородностью во времени из-за нестационарности связей. Подобные физические системы могут подвергаться колебаниям двух типов: вынужденным колебаниям и релаксационным автоколебаниям. Первые представляют собой преобразования колебаний внешней нагрузки, т. е. скорости питания или абляции, вызываемых случайными и гармоническими (обусловленными астрономическими причинами) колебаниями состояний атмосферы, а вторые являются процессами периодической релаксации, вызываемыми нестационарностью связей - изменениями силы трения о дно и дроблением льда. Вынужденным колебаниям постоянно подвергаются все Л, тогда как самовозбуждение колебаний свойственно лишь некоторым Л, как активным нелинейным системам. При вынужденных колебаниях положительное или отрицательное ускорение получает поток массы между Л и внешней средой, а между частотами и фазами колебаний внешнего потока и скорости льда имеется связь. При автоколебаниях происходит независимое от внешних влияний ускорение движения льда, а между частотами и фазами колебаний внешних и внутренних потоков массы связь отсутствует. Характеристики движения при этом прерывны во времени из-за периодического разрыва части связей и последующего медленного их восстановления с цикличностью от 10 до 100 лет, К такому типу принадлежат кинематические волны, которые могут вызывать быстрые наступания концов Л до 10-20 км со скоростью до сотен метров в сутки.   Подобные наступания известны в Альпах, на Кавказе, Тянь-Шане, Памире, в Каракоруме, на Камчатке, Шпицбергене, в Исландии, Северной и Южной Америке, Новой Зеландии и др. районах земного шара. На территории СССР установлено более 70 случаев быстрых наступаний Л В 1963 в результате катастрофического наступания Л Медвежьего в верховье р. Ванч на Памире он продвинулся вниз по долине на 1,6 км. Наступание сопровождалось образованием подпрудного озера и разрушением поселка геологов. Подвижка этого же Л произошла в 1973; благодаря принятым мерам катастрофических последствий удалось избежать. В 1969 ледник Колка в Северной Осетии, имеющий длину 3 км, спустился на 4,6 км, перекрыв буровые скважины для извлечения минеральных вод (предшествующие катастрофические наступания Л Колка в 1835 и 1902 были близки к ледяным обвалам).   При вынужденных колебаниях Л локальная реакция напряжения и скорости на изменения внешней нагрузки мгновенна и устойчива, т. е. направлена в сторону восстановления равновесия. Но этот процесс требует для своего завершения более или менее длительного времени, у материковых ледниковых покровов, по-видимому, порядка тысяч лет. Вынужденные колебания Л имеют сложный частотный спектр, часть которого соответствует периодам значительно короче времени переходных процессов. Поэтому вынужденные колебания Л все время идут в неустановившемся переходном режиме, асинхронно: одновременно часть Л отступает, другая часть наступает, а третья находится в квазистационарном состоянии. Лишь в течение достаточно длительного времени выделяются периоды преобладания наступаний или отступаний.   В 20 в. до конца 40-х гг. преобладало сокращение Л, которое затем местами сменилось наступанием. В геологическом прошлом наиболее крупные колебания Л приводили к чередованиям ледниковых и межледниковых эпох, ледниковых и безледных периодов, причем большую роль играли и обратные связи - влияние снежно-ледяного покрова на климат. См. Антропогеновая система (период).     Лит.: Шумский П. А., Основы структурного ледоведения, М., 1955; Калесник С. В., Общая гляциология, Л, 1939; его же, Очерки гляциологии, М., 1963; Котляков В. М., Снежный покров Земли и ледники. Л, 1968; Шумский П. А., Динамическая гляциология, М., 1969; Патерсон У. С. Б., Физика ледников, пер. с англ., М., 1972; Budd . . and Radok ., Glaciers and other large ice masses, "Reports on progress in physics", 1971, v. 34, № 1.   П. А. Шумский.