Ледники: классификация, механизмы движения и роль индикаторов климата

Ледник определяется как любой постоянный слой льда, образованный из перекристаллизовавшегося снега, который проявляет признаки гравитационного движения. Ледники представляют собой неотъемлемый компонент криосферы — части земной поверхности, где температура остаётся достаточно низкой для существования воды преимущественно в замёрзшем состоянии. В настоящее время большинство ледников сосредоточено в полярных регионах и на больших высотах, однако на протяжении истории Земли ледяные массы неоднократно продвигались вглубь среднеширотных районов, что свидетельствует о периодах кардинального изменения глобального климата. Согласно некоторым моделям, на определённом этапе вся планета была покрыта льдом — это состояние получило название «Земля-снежок» (Snowball Earth). Ледники как динамические системы постоянно перемещаются под действием силы тяжести и чутко реагируют на изменение климата, что делает их ценными индикаторами надвигающихся экологических изменений.

Отёл ледника в национальном парке Глейшер-Бей, Аляска (Скотт Капич, Shutterstock, Inc.)

Типы ледников. В зависимости от морфологии, расположения и теплового режима выделяют несколько категорий ледников. Горные ледники образуются на больших высотах и ограничены окружающим рельефом (долинами); к конкретным подтипам относятся каровые ледники, долинные ледники и ледники фьордов. Ледники предгорий берут начало от горных ледников, но заканчиваются на открытых склонах за пределами гористой местности. Когда ледники предгорий или долин выходят на открытые водоёмы, заливы или фьорды, их называют приливными ледниками. Ледяные шапки образуют куполообразные скопления льда и снега над высокогорными районами, расходящиеся в радиальном направлении. Ледяные щиты представляют собой крупнейшие ледниковые образования — массивы континентального масштаба, которые в настоящее время покрывают Гренландию и Антарктиду; на их долю совокупно приходится около 95% всего ледникового покрова Земли. Если глобальное потепление продолжит растапливать эти ледяные щиты, уровень моря поднимется примерно на 70 м (230 футов). Антарктический ледяной щит, полярный ледяной покров, разделённый Трансантарктическими горами, включает обширные шельфовые ледники, которые при откалывании образуют айсберги, многие из которых дрейфуют на север к судоходным путям Южного полушария.

Термическая классификация и формирование. Ледники также классифицируются по их температурному режиму. Полярные ледники образуются в регионах, где среднегодовая температура остаётся ниже нуля, и сезонное таяние практически отсутствует, поскольку температура никогда не повышается до точки плавления. В отличие от них, ледники умеренного пояса испытывают сезонные периоды таяния, в течение которых лёд может достигать температуры плавления под давлением, что позволяет льду и жидкой воде сосуществовать по всему леднику. Все ледники находятся выше снеговой линии — нижней границы высот, где снег сохраняется круглый год. Эта граница проходит на уровне моря в полярных регионах и поднимается примерно до 1525–1830 м (5000–6000 футов) на экваторе, примером чему служат быстро отступающие ледники горы Килиманджаро в Танзании.

Образование ледников происходит главным образом за счёт накопления и уплотнения снега с последующей деформацией и растеканием под действием силы тяжести. Плотность свежевыпавшего снега составляет примерно одну десятую плотности льда; со временем поры закрываются под давлением и в результате перекристаллизации. Через год или более переходный материал превращается в фирн. После нескольких лет дальнейшего уплотнения лёд достигает плотности 0,9 г/см³ и начинает течь под собственным весом. На этой стадии ледники считаются метаморфическими породами, состоящими из минерального льда.

Баланс массы и ледниковые зоны. Масса и объём ледника постоянно колеблются в зависимости от сезонных циклов и долгосрочных изменений климата. Баланс массы определяется взаимодействием между аккумуляцией (увеличением количества снега и льда) и абляцией (потерей массы в результате таяния, испарения или откалывания). Периоды увеличения чистой массы приводят к наступанию ледника, тогда как потеря чистой массы вызывает отступание его окончания.

В конце летнего сезона абляции становятся очевидными две основные зоны. Зона аккумуляции занимает верхнюю часть ледника и остаётся покрытой остатками снега с предыдущей зимы. Ниже находится зона абляции, характеризующаяся более старым и грязным льдом, с которого полностью растаял зимний снег. Эти зоны разделены линией равновесия, где годовое накопление в точности уравновешивает абляцию.

Механизмы движения ледников. Движение ледников начинается, когда толщина льда становится достаточной для преодоления внутреннего сопротивления, что зависит от температуры льда и уклона подстилающей поверхности. На крутых склонах могут образовываться относительно тонкие ледники; на равнинной местности требуется гораздо большая толщина. Движение происходит главным образом за счёт ползучести — деформации отдельных кристаллов льда, — которая приводит к преимущественной ориентации зёрен, образуя слоистость и линейность, аналогичные таковым в других метаморфических породах.

На некоторых ледниках формируется базальный слой талой воды, который способствует скольжению по подстилающей поверхности и периодическим подвижкам. Там, где лёд течёт по горным хребтам или крутым склонам, напряжение приводит к разрыву верхней поверхности, образуя трещины (бергшрунды), глубина которых может достигать 65 м (200 футов). В долинных ледниках скорость движения льда наиболее высока в центральной и верхней частях, уменьшаясь к краям и основанию из-за трения. Во время весеннего таяния базальное скольжение может временно выровнять скорость течения по всей толще льда, поскольку талая вода уменьшает трение, что потенциально способно продвинуть ледник на несколько километров за один год.

Ледниковые формы рельефа и эрозионные особенности. Оледенение описывает изменение ландшафтов под воздействием ледникового льда. По мере продвижения ледники разрушают коренные породы, переносят огромные массы наносов, делают долины более крутыми, а при отступании оставляют обширные отложения. К характерным эрозионным формам рельефа относятся ледниковые борозды — царапины на коренных породах, образованные перемещением валунов подо льдом. Бараньи лбы (рош-мутонé) и другие асимметричные формы коренных пород возникают там, где ледники отрывают куски с подветренной стороны, при этом крутая поверхность ориентирована по направлению движения льда.

Цирки представляют собой чашеобразные впадины с крутыми верхними стенками, образованные морозным выветриванием, выпахиванием и абразией. Во многих цирках есть небольшие озёра, называемые тарнами, окружённые у основания горными хребтами. Соседние цирки образуют острые гребни — ареты, а там, где сходятся три или более цирков, формируется крутой пирамидальный рог; классический пример — Маттерхорн в Швейцарских Альпах. Ледниковые долины имеют характерный U-образный поперечный профиль, в отличие от речных долин. Притоковые долины часто впадают в главную долину в виде висячих долин с водопадами. Фьорды — это глубоко врезанные ледниковые долины, частично затопленные морем.

Особенности ледникового осадконакопления. Ледники откладывают большое количество отложений, которые в совокупности называются ледниковым дрейфом. Тилл — это несортированные отложения, отложенные непосредственно льдом; они характеризуются случайной смесью обломков горных пород — от валунов до мелкого ила. Морены — это грядообразные скопления тилла, обнаруженные на краях ледников. Конечные морены указывают на самое дальнее продвижение ледника; отступающие морены фиксируют временные остановки во время общего отступания. Боковые морены образуются вдоль бортов ледника, а срединные морены — там, где сливаются два ледника.

Друмлины — это обтекаемые вытянутые холмы, сформированные под толщей ледникового покрова из песка или коренных пород. Рельеф котловин и холмов возникает там, где отступающий лёд оставляет погребённые ледяные глыбы; при таянии этих глыб образуются впадины (котловины), часто заполненные озёрами и окружённые холмиками смытых наносов. Ледниковые эрратические валуны — это фрагменты горных пород, перенесённые льдом и осевшие на поверхности коренных пород иного состава; их прослеживание вдоль ледниковых борозд позволило открыть месторождения полезных ископаемых, в том числе алмазные рудники в Нунавуте (Канада).

Флювиогляциальные отложения — это осадки, которые наносятся потоками талой воды, обычно в переплетённых каналах, формирующих широкие зандровые равнины. Каменная мука — тонко измельчённый ил и песок — накапливается у основания ледников в результате дробления и истирания. Моренный дрейф возникает из-за отложений, выбрасываемых айсбергами в море; отдельные камни в морских осадках служат ключевыми индикаторами прошлых оледенений в геологической летописи.

Ледяные шапки и ледяные щиты. Ледяные шапки — это куполообразные ледяные массивы, покрывающие гористую местность и расходящиеся радиально; они относительно невелики и занимают площадь менее 50 000 км² (20 000 квадратных миль). Ледяные щиты превышают этот размер; Гренландский и Антарктический ледяные щиты совокупно содержат примерно 95% ледникового покрова Земли. Если бы оба полностью растаяли, уровень мирового океана поднялся бы примерно на 70 м (230 футов).

Антарктический ледяной щит, центр которого находится на Южном полюсе, определяет климат этого континента. Это холодная пустыня с малым количеством осадков и высокой испаряемостью; большая часть талой воды замерзает в снежном покрове, а не стекает. Потеря льда происходит в основном из-за откалывания и базального таяния шельфовых ледников со скоростью 25–38 см (10–15 дюймов) в год. Климат Гренландии находится под влиянием тёплых североатлантических течений и характеризуется значительным летним таянием и обильными снегопадами. Её быстротекущие выводные ледники могут перемещаться на несколько миль в год, а ледяной щит быстро истончается по краям, теряя за последнее десятилетие в среднем 4,5–6 м (15–20 футов) толщины. Около половины потерь льда в Гренландии происходит из-за поверхностного таяния, остальная часть — из-за откалывания и подводного таяния. Это означает, что Гренландия в большей степени подвержена краткосрочным колебаниям уровня моря, тогда как в Антарктиде преобладает долгосрочное постепенное повышение.

Айсберги и морской лёд. Откалывание (calving) — это процесс, при котором фрагменты льда отделяются от приливных ледников, шельфовых ледников или морского льда. Образующийся плавучий лёд называется морским льдом или, чаще, айсбергами. От 81 до 89% массы айсберга находится под водой в зависимости от его плотности. Айсберги представляют значительную опасность для судоходства; самой известной катастрофой стало затопление «Титаника» в 1912 году.

Полярный морской лёд образуется в Северном Ледовитом океане и вокруг Антарктиды, обычно толщиной 3–4 м (10–15 футов). Арктическая ледяная шапка вращается по часовой стрелке под влиянием вращения Земли; около трети её ежегодно выносится Восточно-Гренландским течением, превращаясь в опасные айсберги в Северной Атлантике. Паковый лёд формируется в таких регионах, как залив Святого Лаврентия, Берингово море, море Бофорта, а также Японское и Охотское моря. Паковый лёд может блокировать судоходные пути, а при выбросе на берег ветром способен разрушать прибрежные сооружения и нагромождать гряды гравия высотой в десятки футов.

Айсберги, образовавшиеся из ледников, представляют наибольшую опасность. В Северном полушарии большинство айсбергов откалывается от Гренландии или островов Баффиновой Земли, двигаясь на юг через пролив Дэвиса к судоходным путям Северной Атлантики. Айсберги Южного полушария в основном происходят из Антарктиды. Современное слежение с использованием спутников, радиопередатчиков и радаров значительно повысило безопасность, хотя айсберги по-прежнему угрожают морским буровым платформам и трубопроводам в высоких широтах.

Ледники как индикаторы климата. Ледники исключительно чувствительны к изменению климата: они сокращаются в периоды потепления и наступают в периоды похолодания. Их часто сравнивают с «канарейками в угольной шахте» применительно к глобальным климатическим изменениям. Земля пережила по меньшей мере три крупных ледниковых периода: позднепротерозойское оледенение («Земля-снежок», примерно 710–650 млн лет назад), позднепалеозойское оледенение (около 350–250 млн лет назад) и современный ледниковый период, начавшийся примерно 55 млн лет назад. Эти оледенения были вызваны такими факторами, как конфигурация континентов, океанские течения, колебания солнечной радиации и изменения радиационного баланса атмосферы.

Уровень мирового океана поднялся почти на 120 м (400 футов) со времени последнего ледникового максимума (около 20 000 лет назад), причём примерно 15 см (6 дюймов) этого подъёма пришлись на прошлое столетие. Этот показатель, по-видимому, ускоряется и в настоящее время оценивается до 2,5 см (1 дюйм) за десятилетие. Примерно 100 миллионов человек живут в пределах 1 м (3,2 фута) от нынешнего уровня моря; быстрое повышение уровня приведёт к широкомасштабным наводнениям, ускоренной береговой эрозии и подъёму уровня грунтовых вод, создав беспрецедентную социально-экономическую проблему.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.