Влияние ледников на климат Земли
Ледник – неотъемлемая часть природного ландшафта стран северного балтийского региона и севера России. Так или иначе, в пределах каждой страны Скандинавского полуострова есть территории, покрытые ледниками. Например, более 11% всей территории Исландии покрыто льдом. 9/10 поверхности Гренландии, принадлежащей Дании, покрыто ледником, то есть, ледниковая территория Дании превышает в несколько раз пригодную для жизни площадь этой страны. Северная же часть России и вовсе граничит с акваторией Северного ледовитого океана. Все прекрасно себе представляют, как выглядит ледник, но что же он представляет собой с научной точки зрения?
Что такое ледник?
Ледники – это природные образования, представляющие собой большое скопление льда атмосферного происхождения. На поверхности нашей планеты ледники занимают более 16 миллионов квадратных километров, что составляет 11% всей площади суши, а их общий объем достигает 30 миллионов кубических километров преимущественно пресной воды.
Более 99% всей площади ледников нашей планеты находятся в полярных областях, остальные – на вершинах высоких гор. Самый знаменитый экваториальный ледник – это вершина горы Килиманджаро, увенчанная ледяными образованиями на высоте почти 4500 метров над уровнем моря.
Ледники образуются на участках земной поверхности при условии, если количество выпадающих твердых атмосферных осадков на протяжении многих лет превышает количество осадков, которое может растаять или испариться. Они образуются выше «снеговой линии», то есть линии, выше которой выпавший в течение года снег не успевает растаять. Соответственно, высота снеговой линии зависит от климатических условий местности. В экваториальных горах снеговая линия находится очень высоко – на вершинах высотой в 4,5 – 5 тысяч метров, а к полюсам снеговая линия снижается до уровня океана.
Ледники очень сильно различаются по размерам и форме. Площадь ледниковых шапок (плоско-выпуклого покровного ледника, занимающего водораздельную часть плосковершинного массива) колеблется от нескольких до многих тысяч квадратных километров (например, площадь ледниковой шапки Пенни на Баффиновой Земле в Канаде достигает 60 тыс. кв. км).
Крупнейшим ледником планеты Земля считается Антарктический. Максимальная его толщина достигает 4 километров, а средняя толщина колеблется в пределах 1,5 километров. В пределах единого ледникового покрова выделяются отдельные ледяные потоки, которые простираются от центра материка к периферии. В Антарктике крупнейшим из таких потоков считается ледник Бидмор, стекающий с гор Виктории. Он достигает 15–20 км в ширину и 20 км в длину. По краям Антарктиды расположены большие ледники, которые находятся на плаву – это шельфовые ледники. Самый крупный из них – ледник Росса, который по своим размерам вдвое превышает площадь Великобритании.
Второй по размеру ледник планеты Земля находится в Арктике, в Балтийском регионе – это Гренландский ледник. Он покрывает практически весь остров Гренландия, общая площадь которого составляет 2 130 800 кв. км и который считается самым большим островом на планете Земля.
Гренландский и Антарктический ледники часто спускаются на прибрежные части океана и теряют глыбы льда, которые превращаются в айсберги. Летом можно наблюдать мелкие айсберги, мирно плавающие по горным озерам, расположенным у концов долинных ледников, а также огромные айсберги, отколовшиеся от ледников Гренландии, Шпицбергена, Аляски и Антарктиды, которые своим размером внушают страх. Ледник Колумбия на Аляске выходит в Тихий океан фронтом шириной 1,6 км и высотой 110 м. Он медленно сползает в океан. Под действием подъемной силы воды при наличии крупных трещин обламываются и уплывают огромные глыбы льда, не менее чем на две трети погруженные в воду.
Ледники находятся в движении, однако скорость движения ледников обычно мала: примерно несколько метров в год, но и здесь также имеются значительные колебания. После ряда лет с обильными снегопадами в 1937 году конец ледника Блэк-Рапидс на Аляске в течение 150 дней двигался со скоростью 32 м в сутки. Существуют также пульсирующие ледники, которые могут достигать еще большей скорости и нести реальную угрозу близлежащим населенным пунктам. Но все же быстрое движение не характерно для ледников. Например, ледник Таку на Аляске на протяжении 52 лет продвигался со средней скоростью 106 м в год.
Все крупные ледники испещрены многочисленными трещинами, в том числе открытыми. Их размеры зависят от параметров самого ледника. Встречаются трещины глубиной до 60 м и длиной в десятки метров. Они могут быть продольными и поперечными. Продольные трещины – это разломы, которые формируются параллельно направлению движения материка, поперечные трещины, соответственно, формируют поперечно движению толщи льда. Поперечные трещины гораздо более многочисленны. Реже встречаются радиальные трещины, обычно они обнаруживаются в распластывающихся предгорных ледниках, и краевые трещины – на концах долинных ледников. Продольные, радиальные и краевые трещины, по-видимому, образовались вследствие напряжений, возникающих в результате трения или растекания льда. Поперечные трещины, вероятно, результат движения льда по неровному ложу.
Типы ледников
Ледники подразделяются на три основных типа: покровные, шельфовые и горно-долинные.
Покровные ледники составляют 98,5% от общей площади ледников на планете Земля и образуются там, где снеговая линия проходит низко. Их называют «куполами» или «щитами» из-за их плоско-выпуклой формы, которая образовывается вне зависимости от подледного рельефа. Снег скапливается в центре и восполняет ледник посредством сублимации с водяным паром. Убывают покровные ледники на окраинах. Лед покровных ледников перетекает радиально, то есть, от центральной части к периферии, опять же вне зависимости от подледного рельефа. На периферии происходит убывание ледника из-за обламывания концов, находящихся на плаву.
Именно к покровным относятся самые большие ледники – Антарктический и Гренладский. Покровное оледенение Антарктиды начало оформляться 25 миллионов лет назад, а 7 миллионов лет назад площадь ледника достигла своих максимальных размеров и превышала, по данным ученых, современную площадь примерно в 1,8 раз.
Гренландский ледниковый покров оформился приблизительно 10 миллионов лет назад. Установлено, что Гренландский ледник проморожен до основания (кроме южной оконечности) и его нижние слои смерзлись с поверхностью скального ложа, где температура составляет –10, –13 градусов Цельсия. В Антарктиде взаимоотношения между ледниковым покровом и горными породами сложнее. Установлено, что в ее центральной части подо льдами толщиной 3–4 км существуют подледные озера. Природа их может быть двоякой. Согласно одной точке зрения, они образовались из-за плавления льда за счет внутриземного тепла. По другой версии, подледные озера образовываются за счет тепла трения, возникающего в процессе движения ледника. Центральная часть Антарктического ледника окружена замкнутым поясом, где скальные породы проморожены на глубину 500 м. По периферии Антарктического ледникового покрова располагается кольцевая зона, для которой характерно таяние льда в основании за счет тепла движения ледника.
Лед покровных ледников и ледниковых шапок обычно чистый, крупнокристаллический, голубого цвета; также выглядит лед и крупных долинных ледников, за исключением их концов, обычно содержащих слои, насыщенные обломками пород и чередующиеся с пластами чистого льда. Такая стратификация связана с тем, что зимой, поверх накопившихся летом пыли и обломков, свалившихся на лед с бортов долины, ложится снег.
Шельфовые ледники– это продолжение материковых покрывных ледников. Они представляют собой плавучие или частично опирающиеся на дно ледники, которые текут от берега в море, утончаются к краю плиты и заканчиваются обрывом. Иногда шельфовые ледники образуются путём накопления снега на морском льду и путём скрепления снегом и льдом скоплений айсбергов.
Шельфовый ледник обычно формируется там, где ледники и ледяные потоки, стекающие с континентального ледникового щита, впадают в залив. Спустившись по дну до определённой глубины (примерно 300 м), лёд переходит в плавучее состояние, и множество ледников сливается в единое поле, которое продолжает расти, пока не заполнит весь залив. Когда ледник выходит за пределы залива, его передняя часть, лишившаяся сдерживающего влияния устья залива, становится уязвимой для сил открытого океана. В результате ледник постепенно обламывается по линии, соединяющей крайние точки залива.
Шельфовый ледник также теряет свое массу, подтаивая снизу и тем самым формируя холодные придонные течения, движущиеся на север над ложем океанов, чтобы затем подняться на поверхность, насыщая кислородом тропические воды. Хотя ледник и утолщается за счёт выпадения снега на его поверхность, общим результатом становится уменьшение его толщины в направлении открытого моря. Та часть ледника, которая обращена к морю, называется «ледяным барьером» и, как правило, достигает толщины примерно 180 м, возвышаясь над уровнем моря на 20–30 метров. Любопытно, что любой предмет, оставленный на поверхности шельфового льда, будет постепенно спускаться вниз по мере приближения к океану.
Горно-долинные ледникио бразовываются там, где высота над уровнем моря не позволяет снегу таять в течение года. Как явствует из названия этого типа ледников, они формируются на горных вершинах и склонах. Со временем снег превращается в фирн (крупнозернистый плотный снег, образовывающийся от постоянного замерзания и оттаивания), а затем – в лед. Горно-долинные ледники отличаются от покровных значительно меньшими размерами и большим разнообразием форм, которые определяются рельефом места их возникновения.
Небольшие ледники, залегающие во впадинах на склонах, часто выходят за границу снеговой линии (примерами могут служить ледники Альп и Кавказа). Те ледники, которые заполняют чашеобразные углубления на склоне – цирки или кары – называются каровыми. В нижней части ледника кар ограничен поперечным уступом, который называется ригель. Такие уступы представляют собой пороги, за пределы которых ледник не переступал в течение многих сотен лет. Ледниковые долины имеют U-образную форму и напоминают корыто. С этим сравнением и связано их название — трог (от немецкого Trog – корыто ). А если горная вершина со всех сторон покрыта ледниками, постепенно разрушающими склоны, то образуются острые пирамидальные вершины, которые называют «карлинги».
Многие горно-долинные ледники, подобно рекам, сливаются из нескольких «притоков» в один большой, заполняющий ледниковую долину. Особо крупные ледники такого типа называют дендритовыми или древовидными. Они распространены на Памире, Каракоруме, Гималаях и Андах. Причем для каждого района существует и более дробное деление горно-долинных ледников на типы.
Что касается Скандинавских гор, то на вид ледника, который их покрывает, оказывает непосредственное влияние сам рельеф местности. Дело в том, что Скандинавские горы имеют выровненные вершинные поверхности – плато, и именно на них и располагается ледник. Далее плато вместе с ледником резко обрывает к фьордам – древним ледниковым долинам, которые превратились в глубокие и узкие морские заливы.
Равномерное движение льда в леднике может смениться резкими подвижками. Тогда язык ледника начинает двигаться по долине с большой скоростью, вплоть до нескольких сотен метров в сутки. Ледники, которые периодически переходят в состояние активного движения, называют пульсирующими. А их способность к ускорению объясняется накапливающимся напряжением в ледниковой толще. За такими ледниками необходимо вести постоянные наблюдения, чтобы предсказать следующую пульсацию и суметь избежать трагедии. Например, именно вследствие «пульсации» ледника в 2003 году в Кармадонском ущелье Кавказа многие населенные пункты прежде цветущей долины были в раз погребены под нагромождениями ледяных глыб. Такие пульсирующие ледники не редкость в природе.
На бортах многих долинных ледников встречаются боковые морены, то есть, вытянутые гряды неправильной формы, сформированные песком, гравием и валунами. Под воздействием эрозионных процессов и склонового смыва летом и лавин зимой на ледник с крутых бортов долины поступает большое количество разного обломочного материала, и из этих камней и мелкозема формируется морена. На крупных долинных ледниках, которые принимают в себя ледники-притоки, появляется срединная морена, движущаяся близ осевой части ледника. Такие вытянутые узкие гряды, сложенные обломочным материалом, раньше были боковыми моренами ледников-притоков, теперь же, после слияния с большим ледником, они стали срединными. Срединных морен на леднике может быть сразу несколько. Например, на леднике Коронейшн на Баффиновой Земле их насчитывается не менее семи.
Зимой поверхность ледников относительно ровная, так как снег нивелирует все неровности, но летом они существенно разнообразят рельеф. Кроме образовывающихся трещин и морен, долинные ледники часто бывают глубоко расчленены потоками талых ледниковых вод. Сильные ветры, несущие ледяные кристаллы, разрушают поверхность ледяных шапок и покровных ледников. Если крупные валуны защищают нижележащий лед от таяния, то вокруг них лед тает, в результате образуются ледяные грибы (или пьедесталы). Такие формы, увенчанные крупными глыбами и камнями, иногда достигают в высоту нескольких метров.
Для предгорных ледников характерна неровность поверхности. Их притоки могут представлять собой беспорядочную смесь из боковых, срединных и конечных морен. Там, где крупные ледяные глыбы тают, формируются глубокие впадины неправильной формы. Часто в них образовываются озера. А вот, например, на мощной морене ледника Маласпина вырос лес. Несколько лет назад в пределах этого массива лед снова пришел в движение, в результате чего начали смещаться целые участки леса.
По краям ледников часто можно увидеть крупные зоны скалывания, где одни блоки льда надвинуты на другие. Такие зоны называются «надвигами». Они образуются несколькими способами. Во-первых, «надвиги» появляются в том случае, если один из участков придонного слоя ледника перенасыщен обломочным материалом, вследствие чего его движение прекращается, но вновь поступающий лед продолжает надвигаться на него. Во-вторых, часто верхние и внутренние слои долинного ледника движутся быстрее придонных и боковых, и в конечном счете надвигаются на них. При слиянии двух ледников один также может двигаться быстрее другого, что тоже приводит к формированию надвига. Наиболее ярко выражены надвиги на леднике Бодуэна, который располагается на севере Гренландии, а также на многих ледниках Шпицбергена.
Горные ледники располагаются практически на всех широтах – от экватора до полярных стран. Наибольшие горные ледники находятся на Аляске, в Гималаях, на Памире, Гиндукуше и Тянь-Шане.
Структура ледника
Ледник разделяется на две части границей питания. Та часть, которая отвечает за область питания, называется фирновым бассейном, или фирновой областью. Вторая часть связана с расходом ледника и называется областью абляции (от латинского ablatio — снос, убыль), или ледниковым языком. Фирновая область лежит на значительных высотах, где летние температуры низки, а атмосферные осадки обильны. Абляция же происходит гораздо ниже, где в летние сезоны тепло и даже возможны дожди. В верхней области ежегодное выпадение снега превышает его таяние, а значит, идет постоянный прирост массы льда, питание ледников, а в нижней области, наоборот, преобладает таяние, и эта масса убывает.
В области питания идет постоянное накопление снега и фирна. Помимо снегопадов в питании ледника участвуют также снежные лавины и метели: они сносят снег с окружающих плато и склонов и концентрируют его в фирновом бассейне.
Области питания горных ледников обычно занимают горные цирки, или кары, относящиеся к самому верхнему ярусу рельефа гор. Области расхода чаще всего оказываются в их среднем поясе, а иногда и в предгорьях. У покровных ледников, имеющих форму плоско-выпуклых куполов, области питания занимают обширные привершинные поверхности, или ледниковые плато, а области расхода располагаются в нижних частях их склонов.
В области расхода потери ледника связаны с таянием снега и льда, а также с влиянием солнечной радиации и тепла атмосферного воздуха. Роль испарения невелика. Такой вид абляции называют поверхностной абляцией. Существует также внутренняя или подледниковая абляция, которая обусловлена геотермическим теплом, теплом воды, проникающей в толщу ледника и под ледник по трещинам и ледниковым колодцам, а также теплом, выделяющимся в результате движения ледника и трения его о ложе. Роль внутренней и подледниковой абляции обычно значительно меньше, чем поверхностной. Практически вся абляция происходит на поверхности ледника, а в случае откола айсбергов — у его конца.
Тем не менее масса фирна и льда в верхней области совсем не обязательно растет, а в нижней далеко не всегда убывает. Будь это так, область питания скоро стала бы непомерно большой, а область абляции могла бы вовсе исчезнуть. На самом деле не происходит ни того, ни другого. Ежегодно возникающий дисбаланс между двумя областями ледника компенсируется с помощью особого механизма, который называется внутренним массообменом. Суть массообмена заключается в оттоке излишков льда из фирнового бассейна и его притоке в область расхода.
В структуре ледника важнейшую роль играет граница, разделяющая области питания и расхода, а именно та линия, или узкая полоса на поверхности ледника, где ежегодный прирост массы за счет снегонакопления оказывается равен ее потерям. Эту границу питания называют также линией равновесия. Ее высота чрезвычайно чувствительна к колебаниям климата; она почти ежегодно меняется, повышаясь в теплые и сухие, а также снижаясь в холодные и влажные годы. Если ее снижение или подъем имеют направленный характер и значительный размах, то можно без риска ошибиться утверждать о серьезном изменении регионального климата.
Когда меняется высота границы питания, вместе с ней меняется и соотношение площадей области питания и области расхода, причем при повышении границы – в пользу области расхода, а при понижении – в пользу области питания. Меняются и сами эти площади, а значит, и суммарные величины прихода и расхода льда в них, а также «баланс массы ледника» в целом.
Вообще, «баланс массы ледника» – одно из важнейших понятий в науке о природных льдах. Именно изучая этот баланс, становится возможным понять механизмы колебаний ледников, вызванных изменениями климата. Когда баланс массы ледника на протяжении ряда лет остается отрицательным, ледник уменьшается, его толщина сокращается, а конец отступает. Когда же баланс массы ледника положительный, ледник растет, его конец увеличивается. А в том случае, если средний за многолетний период баланс массы остается нулевым, то форма и размеры ледника останутся неизменными. О ледниках с нулевым балансом массы говорят, что они находятся в равновесном или стационарном состоянии.
Абляция и климат планеты
Ни для кого не секрет, что мы живет в период глобального изменения климата. Все чаще говорят о «глобальном потеплении», то есть, о повышении средней температуры воздуха. Изменения климата в пользу потепления наиболее ощутимо влияют на Арктический регион, где наблюдается быстрое таяние ледников. В ходе многочисленных исследований климатологи выяснили, что аномальные погодные явления в Европе, Азии и Северной Америке вызваны процессами, протекающими именно в северном полярном регионе.
Давно доказано, что таяние арктических ледников оказывает воздействие на струйные течения – своеобразные воздушные реки, формирующиеся вокруг северного полушария на высоте около 5–6 километров. Они имеют существенное влияние на погоду в мире.
Струйное течение приводится в движение потоком воздуха, проходящим между холодным Северным полюсом и тёплыми зонами, расположенными ближе к экватору. Когда тёплый воздух продвигается к полюсам, его потоки изгибаются в сторону востока. Так возникает змеевидная форма струйного течения, за которым постоянно наблюдают климатологи. Сила его зависит от градиента температуры между регионами с холодным и теплым воздухом: чем выше разница, тем быстрее и сильнее струйное течение.
По данным ученых, Арктика нагревается вдвое быстрее, чем остальные части планеты, и этот эффект усиливается еще и от того, что морской лёд, который обычно охлаждает воздух в Арктике, тает. В результате воздушные течения, которые приходят из этого региона, также оказываются непропорционально теплее. Поэтому разница температур между арктическими и южными регионами уменьшается, и, соответственно, сама мощность струйного течения падает.
Ученые считают, что из-за потепления холодного арктического воздуха струйное течение замедляется, что делает невозможным стабилизацию погоды в каждом регионе на длительный период времени. Вместо того чтобы извиваться «змеёй» по всей планете, эти течения кружатся вокруг одних и тех же регионов, вызывая экстремальные погодные явлений. Причем эти явления возникают все чаще. Согласно статистике, в период максимально непропорционального потепления Арктики, с 1995 по 2013 годы периоды экстремальной погоды на территории Северной Америки выросли на 49% в осенний период и на 41% в зимний период по сравнению с промежутком времени с 1979 по 1994 год. Согласно данным той же статистики, между 1980 и 2010 годами отмечен рост экстремальных погодных явлений с 400 до 800 случаев в год, то есть в два раза.
Однако непосредственная связь между таянием ледников и ослаблением струйных течений пока не доказана. По мнению ученых, струйные течения действительно несут ответственность за экстремальные погодные явления, но пока неизвестно, действительно ли первоисточник этих бед заключается в таянии морских ледников Арктики. Более того, некоторые ученые допускают, что два этих явления и вовсе никак не связаны.
В любом случае полярный ледник сокращается примерно на 4,52 процента за десять лет, что соответствует 50 тысячам квадратных километров в год. Каковы будут последствия, остаётся только гадать.
В случае предсказываемого глобального потепления и продолжения таяния ледников, по некоторым прогнозам, к концу XXI века льды Гренландии безвозвратно исчезнут. Активное таяние льдов приведет к подъему уровня воды в мировом океане, что в конечном итоге может привести к затоплению некоторых территорий и обострению дефицита пресной воды.
Однако при сравнении недавно составленной новой карты высот ледников со старыми картами становится очевидным, что в некоторых частях нашей планеты ледник не только не теряет своей массы, но и набирает. Так, в Гренландии наблюдаются большие потери льда вдоль юго-восточного побережья и рост его толщины ближе к центру острова из-за увеличившихся снегопадов. Тем не менее суммарная масса ледника уменьшается: ученые сообщают о все возрастающих обрушениях льда в море с нескольких гренландских ледников. В Западной Антарктике также наблюдается значительная потеря ледовой массы, а некоторые ледяные шельфы целиком растаяли, из-за чего разрушение ледников происходит значительно быстрее: они чаще обрушаются в воду.
По данным ученых, ежегодно в Гренландии аккумулируется и замораживается порядка 11 млрд. тонн воды, а в Антарктике тает около 31 млрд. тонн, то есть в мировой океан ежегодно поступает 20 млрд. тонн ледниковых вод.
Тем не менее ученые, анализируя процесс таяния ледников и их влияния на окружающую среду, отмечают, что подъем уровня мирового океана происходит медленнее, чем должен, что внушает надежды на то, что «конец света» все же не наступит в ближайшее время.