Физика природных льдов Земли


Л.В ТАРАСОВ


ФИЗИКА ПРИРОДНЫХ
ЛЬДОВ ЗЕМЛИ













Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2013

  Л.В. Тарасов
    Физика природных льдов Земли: Учебное пособие / Л.В. Тарасов — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 272 с.
    ISBN 978-5-91559-132-4

    Природные льды Земли — это ледники (горно-долинные и покровные), морские льды Северного Ледовитого океана, подземные льды вечной мерзлоты.
    В книге рассматриваются многие физические процессы, происходящие в мире льда: образование ледниковых масс и сползание их с гор, рождение шельфовых ледников и айсбергов, подледное таяние и намерзание антарктического щита, образование гренландских ледниковых фьордов. Здесь раскрываются тайны дна Северного Ледовитого океана и объясняется образование в нем твердых паковых льдов. Рассматриваются особенности вечной мерзлоты и условий жизни человека на ней; о зоне вечной мерзлоты говорится как о важном криогенном ресурсе общества (без нее сибирские реки обмелели бы и исчезла бы тайга).
    Для студентов и преподавателей кафедр экологии и наук о Земле.























ISBN 978-5-91559-132-4

        © 2013, Л.В. Тарасов
        © 2013, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

                ОГЛАВЛЕНИЕ










    Предисловие..................................................9

    Глава 1
    ГОРНО-ДОЛИННЫЕ ЛЕДНИКИ...................................... 13
        1.1. Общие замечания о горно-долинных ледниках.......... 13
            Ледяные реки, извивающиеся в горах.................. 13
            Движение ледников. Трещины и складки на ледниках... 18
            Постоянство длины горно-долинного ледника. Наступание и отступание ледника............................... 20
            Ледяной комплекс Эльбруса.......................... 21
        1.2. Как образуется лед на ледниках?....................23
            Атмосферное происхождение ледникового льда......... 23
            Взаимопревращения льда, воды, водяного пара........ 24
            Что происходит внутри снежного покрова? ........... 25
            Фирнизация снега................................... 27
            Режеляция.......................................... 28
            Превращение фирна в ледниковый лед................. 30
            Зоны льдообразования .............................. 31
        1.3. Движение ледников..................................33
            На что указали измерения, выполненные на леднике Атабаска?.......................................... 33
            Вязкость и текучесть среды. Текучесть (пластичность) льда .............................................. 35
            Движение ледников с холодным основанием и ледников с теплым основанием................................ 38
            Пульсирующие ледники............................... 39
        Интермедия: ледниковая катастрофа в Осетии в сентябре 2002 г. — не подвижка пульсирующего ледника, а сход ледниковой лавины................................42

—I Оглавление

        1.4. Анатомия горно-долинного ледника.......................46
            Области питания (аккумуляции) и расхода (абляции) ледника................................................ 46
            Внешний и внутренний массообмен........................ 47
            Нарушения стационарного состояния ледника.............. 48
            Кальгаспоры — удивительный результат избирательного таяния снега и сублимации фирна в области абляции ледника................................................ 49
        1.5. Формы ледниковой    тектоники..........................53
            Общие замечания........................................ 53
            Ледниковая тектоника с учетом пластичности и хрупкости льда .................................................. 54
            Четыре часто встречающиеся типа ледниковых трещин...... 55
            Рантклюфты и бергшрунды................................ 56
            Ледопады и сераки...................................... 59
            Альпинисты на крупных ледопадах: Кхумбу, Ушбинском, Менсу.................................................. 61
            Огивы. Вид языка ледника............................... 65
        1.6. Рельефообразующая способность ледников.................67
            Морены................................................. 68
            Лента горно-долинного ледника в роли своеобразного транспортера, переносящего горные обломки вниз по долине.............................................. 70
            Физические механизмы ледникового разрушения............ 72
            Геологическая работа ледника........................... 74
            Бараньи лбы ........................................... 75
            Ледниковая аккумуляция ................................ 77
        1.7. Ледниковые озера.......................................81
            О термине «ледниковое озеро»........................... 81
            Каровые озера. Каровая лестница из семи Рильских озер .................................................. 81
            Морено-подпрудные озера. Знаменитые Мультинские озера.................................................. 84
            Ледниково-подпрудные озера. Причуды озера Лаго-Аргентино ........................................ 86
            Удивительное ледниково-подпрудное озеро Мёрцбахера .... 89

Оглавление —I 5

Глава 2
ЛЕДНИКОВЫЕ ПОКРОВЫ (ЩИТЫ) - АНТАРКТИДА И ГРЕНЛАНДИЯ.................................................94
    2.1. Антарктида — материк под ледяным щитом. Южный океан..............................................94
        Ледяной щит Антарктиды.............................. 94
        Южный океан......................................... 98
        Антарктида — континент дружбы...................... 101
    2.2. Антарктида без ледникового щита................... 103
        Коренной (подледный) рельеф Антарктиды............. 103
        Основные орографические единицы в коренном рельефе Восточной и Западной Антарктиды.................... 105
        Что будет, если ледяной купол Антарктиды вдруг растает?. 106
        Изостазия и гляциоизостазия........................ 107
    Интермедия: картина И.К. Айвазовского «Ледяные горы в Антарктиде».......................................... 111
    2.3. Снежный покров и лед Антарктиды................... 112
        Рыхлость антарктического снежного покрова.......... 112
        Заструги на поверхности снежного покрова Антарктиды..... 115
        Современный транспорт Антарктиды................... 116
        Ледяные керны Антарктиды в роли «машины времени»........ 118
        Температура внутри ледяного купола. Обнаружение подледного таяния ................................. 120
    2.4. Подледное таяние и подледное намерзание антарктического щита. Подледное озеро Восток............ 122
        Подледное озеро Восток............................. 122
        Проникновение к водам озера Восток через ледяную скважину........................................... 123
        Подледные водоемы в Солнечной системе.............. 124
        Подледные озера и подледные реки Антарктиды........ 125
        Исследования подледного таяния..................... 126
        Обнаружение подледного намерзания ................. 128
        В одних местах подледное таяние, в других — подледное намерзание......................................... 129
    2.5. Ледниковые покровы Антарктиды в движении. Шельфовые ледники....................................... 131

—I Оглавление

            Ледосборные бассейны и ледоразделы................... 131
            Выводные ледники (ледяные реки, текущие в ледяных берегах)............................................. 135
            Шельфовые ледники.................................... 137
            Шельфовый ледник Росса............................... 140
        2.6. Айсберги............................................ 142
            Айсберг — «ледяная гора» ............................ 142
            Айсберги и закон Архимеда............................ 143
            Физика образования столообразных айсбергов........... 145
            Сюрпризытающегоайсберга.............................. 147
            Айсберг — одно из великих чудес природы.............. 148
        2.7. Антарктида — холодильник планеты.................... 150
            Полюс холода Земли................................... 150
            Интенсивность солнечной радиации в Антарктиде........ 152
            Ветры над Антарктидой................................ 154
            Царство пурги........................................ 157
            Формирование снежного покрова ....................... 159
        Интермедия: «Ну, кто же не знает пингвинов?» (отрывок из книги Грушинского Н.П. и Дралкина А.Г.
        «Антарктида»)............................................ 161
        2.8. Гренландия.......................................... 164
            Самый большой остров на земном шаре ................. 164
            Рокуэлл Кент в Гренландии............................ 166
            Рельеф Гренландии.................................... 168
            Гренландский и антарктический ледниковые щиты........ 172
            Фьорды Гренландии.................................... 174
            Поверхностные талые воды Гренландии.................. 181
        2.9. Таяние льдов Гренландии и проблемы Гольфстрима.............................................. 183
            Глобальное потепление................................ 184
            Запасы льда в Гренландии быстро убывают.............. 185
            Гренландский сюрприз — ледяной «водопровод».......... 187
            Гольфстрим........................................... 190
            Термохалинная циркуляция (конвейер Уоллеса Брокера) . 192
            Что может произойти, если из-за таяния гренландских ледников остановится конвейер Брокера? .............. 193

Оглавление J\r 7

    Глава 3
    МОРСКИЕ ЛЬДЫ............................................... 196
        3.1. Северный ледовитый океан.......................... 196
            Когда-то его называли Гиперборейским океаном и был он свободен от многолетних льдов................... 196
            Акватория Северного Ледовитого океана.............. 197
            Особенности Северного Ледовитого океана............ 198
            Поверхностные течения в Северном Ледовитом океане... 200
            Шельф Северного Ледовитого океана ................. 202
            Рельеф дна Северного Ледовитого океана............. 203
            Соединение двух литосферных плит в пределах Северного Ледовитого океана ................................. 206
            Хребет Ломоносова.................................. 208
            Можно ли считать хребет Ломоносова частью континентального шельфа России? ................... 210
            Всегда ли хребет Ломоносова был подводным? ........ 212
        3.2. Виды морского льда................................ 212
            Начальные виды льда................................ 213
            Нилас и молодой лед ............................... 215
            Паковый (многолетний) лед.......................... 218
            Ледяные острова.................................... 220
            Береговой припай................................... 222
        Интермедия: об одном научном заблуждении................223
        3.3. Особенности процесса замерзания морской воды.......226
        3.4. Образование и особенности паковых льдов............228
            Два условия образования в море поверхностного льда. 228
            Решающая роль галоклина в образовании паковых льдов. 229
            Самоопреснение паковых льдов....................... 230
            Дрейф паковых льдов................................ 231
            Сокращение площади паковых льдов .................. 234

    Глава 4
    ПОДЗЕМНЫЕ ЛЬДЫ ............................................ 236
        4.1. Вечная мерзлота....................................236
            Что такое вечная мерзлота?......................... 236
            Строение и свойства пород в зоне вечной мерзлоты... 239

Оглавление

8

          Криогенные формы рельефа в зоне вечной мерзлоты...... 240
          Взрывающиеся наледи, оползающие грунты, курумы....... 248
          Криолитозона — как криогенный ресурс................. 251
      4.2. Жизнь на вечной мерзлоте — сегодня и завтра..........253
          Человек в зоне вечной мерзлоты....................... 253
          Амуро-Якутская железнодорожная магистраль ........... 257
          Прошлое, настоящее, будущее трансполярной магистрали... 261
          Алмазоносные кимберлитовые трубки Якутии............. 264
          Проект «Эко-город 2020» — город внутри слоя вечной мерзлоты............................................. 266
          Вечная мерзлота и глобальное потепление ............. 267

                ПРЕДИСЛОВИЕ










                                     Гололед на Земле, гололед, Целый год напролет — гололед Будто нет ни весны, ни лета... Чем-то скользким одета планета, Люди, падая, бьются об лед.
Владимир Высоцкий

               Принимая во внимание огромное значение льда и снега, а также своеобразие их пространственного распределения по планете, географы выделяют особую географическую оболочку Земли, которую называют криосферой. Криосфера — прерывистая оболочка в зоне теплового взаимодействия атмосферы, гидросферы и литосферы, для которой характерен лед или возможность его существования. Это оболочка с отрицательной температурой. Причина ее возникновения — шарообразность Земли и наклон земной оси к эклиптике, благодаря чему возникает систематический дефицит тепла в полярных и приполярных областях. Дефицит тепла обусловливает сезонное, многолетнее и многовековое промерзание земной коры и образование на Земле при благоприятных условиях природных льдов общим объемом около 30 млн км³ и массой 27 х 10¹⁸ кг. Эта масса в 200 000 раз меньше массы нашей планеты. Однако если бы вся масса природных льдов вдруг растаяла, то уровень Мирового океана поднялся бы на 64—70 м.
       Различают три вида природных льдов: наземные (материковые) льды, называемые ледниками, морские льды, подземные льды. На ледники приходится почти весь природный лед Земли. На подземные льды в районах вечной мерзлоты приходится 0,83 %, а на морские льды (главным образом Северный Ледовитый океан) лишь 0,15 % всей массы природного льда.

¹⁰ -V

Предисловие

     Ледники существуют в Антарктиде, в высоких широтах Арктики (главным образом в Гренландии, на Шпицбергене, Земле Франца-Иосифа, Новой Земле, на островах Элсмир и Баффинова Земля), а также в высокогорных районах Гималаев Тянь-Шаня, Памира, на Кордильерах, в Андах, Альпах и др. Есть ледники даже в экваториальной Африке (верховья Килиманджаро). Современные ледники занимают примерно 10 % суши, т. е. около 16 млн км². Их объем таков, что ими можно было бы покрыть всю поверхность суши слоем в 120 м толщины.
     Гляциологи различают два основных типа ледников:
     1)    горно-долинные, или ледники стока (лед движется от областей питания под действием силы тяжести вниз по горным долинам);
     2)    покровные, или ледники растекания (лед растекается от центра к периферии).
     Наиболее крупные покровные ледники находятся в Антарктиде и в Гренландии. Толщина (мощность) ледников разнообразна — от нескольких десятков метров у горно-долинных ледников до 3—4 км у покровных ледников, например в Антарктиде.
     Своеобразный тип ледников — шельфовые ледники. Они образуются при сползании ледников с суши в море. Такие ледники либо оказываются на плаву, либо (если они достаточно мощны, а море неглубоко) садятся на дно. От сползающих в море ледников откалываются крупные массивы — айсберги, которые затем уносятся течением в открытое море. Наиболее многочисленные и крупные шельфовые ледники рождаются у берегов Антарктиды.
     Данная книга состоит из четырех глав, в которых последовательно рассматриваются все виды природных льдов.
     В гл. 1 прежде всего, рассматриваем физику образования ледникового льда (его атмосферное осадочное происхождение), фирнизацию снежного покрова, превращение фирна в лед, зоны льдообразования. Далее обсуждаем физику движения горно-долинных ледников, знакомимся с областями аккумуляции и абляции ледника, внешним и внутренним массообменом. Отдельное внимание уделяем пульсирующим ледникам. С учетом пластичности и хрупкости льда рассматриваем ледниковую тектонику (ледниковые трещины, рантклюфты, бергшрунды, ледопады). Обсуждаем рельефообразующую способность ледника, моренные отложения, образование кальгаспоров. Завершаем главу рассмотрением различных типов ледниковых озер — каровых, морено-подпрудных,

Предисловие

Дт ¹¹

  ледниково-подпрудных, моренных. Знакомимся с удивительным ледниково-подпрудным озером Мёрцбахера.
       В гл. 2 разбиваем на две части: первая посвящена Антарктиде, а вторая — Гренландии.
       Прежде всего, сопоставляем Восточную Антарктиду с Западной и знакомимся с Трансантарктическими горами, а также с Южным океаном, в центре которого находится Антарктида. Затем знакомимся с коренным (подледным) рельефом Антарктиды. Рассматриваем особенности снежного покрова и льда Антарктиды и обращаем внимание на существование подледного таяния и подледного намерзания антарктического щита. Особо останавливаемся на подледном озере Восток. Говоря о движении ледниковых покровов Антарктиды, рассматриваем ледосборные бассейны, выводные ледники и шельфовые ледники (особенно гигантский шельфовый ледник Росса). Отдельно обсуждаем образование айсбергов. Рассматривая Антарктиду как холодильник планеты, знакомимся с полюсом холода Земли и антарктическими ветрами.
       Переходя к Гренландии, обсуждаем ее рельеф, гренландские ледниковые фьорды, знаменитые ледники Гумбольдта и Петерма-на. Отмечаем аномально активное приповерхностное таяние гренландских льдов в летнее время и возникающие в связи с этим проблемы Гольфстрима (опасность остановки конвейера Брокера).
       В гл. 3 обстоятельно знакомимся с Северным Ледовитым океаном (течения в океане, большие шельфы, подводные хребты и глубоководные котловины в центральной части океана). Особое внимание уделяем хребту Гаккеля, представляющему собой продолжение Северо-Атлантического подводного хребта, и хребту Ломоносова, который, возможно, является продолжением континентального шельфа России. Далее рассматриваем различные виды морского льда: начальные виды, нилас, молодой лед, паковый лед, ледяные острова, береговой припай. Знакомимся с особенностями процесса замерзания морской воды. Завершение главы посвящаем паковому льду — его образованию в Северном Ледовитом океане благодаря существованию галоклина, самоопреснению, дрейфу, постепенному сокращению площади.
       Глава 4 состоит из двух частей. Первую часть посвящаем вечной мерзлоте — объясняем ее особенности, строение и свойства мерзлых грунтов, знакомимся с криогенными формами рельефа и криогенными процессами (термокарстом, термоабразией, моро-

¹² Д.

Предисловие

    зобойным растрескиванием, пучением, образованием наледей, солифлюкцией, курумообразованием). Рассматриваем криолитзону как важный криогенный ресурс общества (без вечной мерзлоты сибирские реки обмелели бы, а тайга исчезла бы). Обращаем внимание на наличие в вечной мерзлоте запасов «горючего снега» — гидратов метана.
     Вторая часть главы посвящена вопросам выживания человека в криолитзоне. Показываем, как можно строить высокие дома и прокладывать качественные дороги в этой зоне. В качестве примера рассматриваем идущее полным ходом строительство АмуроЯкутской железнодорожной магистрали (она уже функционирует на участке Сковородино—Томмот и достроена до Нижнего Бестяха, находящегося напротив Якутска на правом берегу Лены) Другой пример — предстоящее завершение магистрали Салехард—Игар-ка. Большое внимание уделяем алмазоносным кимберлитовым трубкам Якутии — истории их создания и современному состоянию. В заключение обсуждаем проект «Эко-город 2020» — город будущего, построенный внутри слоя вечной мерзлоты на месте трубки «Мир».
     Автор выражает глубокую благодарность Тарасовой Татьяне Борисовне за ценные обсуждения рукописи в процессе ее написания и за помощь в подготовке рукописи к изданию.

ГЛАВА





                ГОРНО-ДОЛИННЫЕ ЛЕДНИКИ





1

                                                Там с вершин отвесных Ледники сползают, Там дороги в тесных Щелях пролегают...
М. Волошин



1.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
         О ГОРНО-ДОЛИННЫХ ЛЕДНИКАХ


            Ледяные реки, извивающиеся в горах


         Как это следует уже из названия, горно-долинные ледники существуют в горных долинах. Такие долины называют ледниковыми , или трогами (от нем. Trog, означающего «корыто»). Горно-долинные ледники — это своеобразные ледяные реки, извивающиеся в горах. Они широко распространены во многих горных районах земного шара: в Андах, Альпах, на Аляске, в Скалистых и Скандинавских горах, Гималаях и других горах Центральной Азии, в Новой Зеландии. Даже в Африке — в Уганде и Танзании — имеется ряд таких ледников. У многих горно-долинных ледников есть ледники-притоки.
   На рис. 1.1 представлена фотография участка ледника Федченко на Памире — самого длинного горно-долинного ледника в Евразии (фото взято с сайта triplab.narod.ru). Ледник протянулся на 77 км к северу вдоль восточного основания хребта Академии наук. Он принимает в себя 45 ледников-притоков. Начало ледника (его фирновая область) находится на высоте 6280 м над уровнем моря, а

¹⁴ Д.

Глава 1. Горно-долинные ледники

окончание ледника (называемое передним краем или языком ледника) находится на высоте 2900 м. Из-под языка ледника вытекает река Сельдара, которая, сливаясь с Сауксаем, образует реку Мук-су. Таким образом, ледник Федченко принадлежит к бассейну Амударьи. Название леднику дали его первооткрыватели, желая почтить память погибшего в 1873 г. в Альпах русского исследователя и путешественника по Памиру Алексея Павловича Федченко (1844-1873).


Рис. 1.1

    На рис. 1.2 представлена фотография участка ледника Балторо (фото взято с сайта www.liveinternet.ru). Ледник находится в Центральном Каракоруме между хребтом Балторо Музтаг (на севере) и хребтом Машербрум (на юге). Длина ледника 62 км. Его передний край находится на высоте 3400 м, давая начало реке Биафо (в среднем течении эта река называется Бральду, а перед впадением в Инд около селения Скарду именуется, как Шигар). Ледник Балторо принимает более десятка крупных ледников-притоков, каждый из которых является в свою очередь сложным горно-долинным ледником.

1.1. Общие замечания о горно-долинных ледниках

~\т ¹⁵

   На светлых ледяных лентах ледников Федченко и Балторо хорошо видны темные полосы — это так называемые морены. Они состоят из обломков горных пород, которые скатываются со склонов гор и подхватываются ледником. Морены располагаются не только на поверхности ледника, но также и внутри него; кроме того, они могут выстилать ложе ледника (донные морены).


Рис. 1.2

    На рис. 1.3 представлена фотография участка ледника Хаббард на Аляске (фото взято с сайта 900igr.net). Это крупнейший на побережье Аляски горно-долинный ледник. Он начинается на фирновом поле на горе Логан в Канаде и тянется на протяжении 122 км пока не достигнет Тихого океана. Ширина фронтальной части ледника приблизительно равна 9 км летом. Зимой она увеличивается до 15 км зимой.
    На рис. 1.4 показана разновидность горно-долинного ледника, называемую висячим ледником (фото взято с сайта altochilov.narod.ru). Такие ледники имеют небольшую длину, залегают в слабо выраженных впадинах на крутых склонах гор и оканчиваются высоко на склоне основной долины.

Глава 1. Горно-долинные ледники

16

Рис. 1.3

Рис. 1.4