Розуміння руху льодовиків: глобальна перспектива

Льодовики, величезні ріки льоду, є динамічними елементами нашої планети. Вони не є статичними блоками, а постійно рухомими масами, що реагують на гравітацію та умови навколишнього середовища. Розуміння руху льодовиків має вирішальне значення для розуміння кліматичної системи Землі, еволюції ландшафту та впливу зміни клімату на водні ресурси та підвищення рівня моря.

Що таке льодовик?

Перш ніж заглиблюватися в рух льодовиків, важливо визначити, що таке льодовик. Льодовик — це багаторічна маса льоду, снігу та фірну (частково ущільненого снігу, який пережив щонайменше один літній сезон танення), що утворюється протягом багатьох років і рухається під власною вагою. Льодовики зустрічаються на кожному континенті, крім Австралії, від полярних регіонів до високогірних гір.

Основні характеристики льодовика включають:

• Розмір і товщина: Льодовики варіюються за розміром від невеликих циркових льодовиків до масивних льодових щитів, що покривають тисячі квадратних кілометрів і досягають кілометрів у товщину.
• Утворення льоду: Льодовиковий лід утворюється шляхом ущільнення та перекристалізації снігу з часом. З накопиченням снігу він стискає нижні шари, перетворюючи снігові кристали на щільніший фірн і, зрештою, на льодовиковий лід.
• Рух: Здатність текти під власною вагою є визначальною характеристикою льодовиків.
• Масовий баланс: Льодовики набирають масу шляхом акумуляції (снігопаду) і втрачають масу шляхом абляції (танення, сублімації та відколу). Баланс між накопиченням і абляцією визначає, чи льодовик наступає, відступає чи перебуває в рівновазі.

Механізми руху льодовиків

Льодовики рухаються за допомогою комбінації процесів, які загалом поділяються на:

• Внутрішня деформація
• Базальне ковзання

Внутрішня деформація

Внутрішня деформація, також відома як повзучість, — це процес, за допомогою якого кристали льоду всередині льодовика деформуються та ковзають один повз одного під дією сили тяжіння. На швидкість внутрішньої деформації впливають кілька факторів:

• Температура: Тепліший лід деформується легше, ніж холодніший лід. Температурні градієнти всередині льодовика впливають на швидкість внутрішньої деформації, при цьому тепліший базальний лід деформується легше.
• Товщина льоду: Вага вищерозташованого льоду збільшує тиск на кристали льоду, сприяючи деформації. Товстіші льодовики зазнають більшої швидкості внутрішньої деформації.
• Орієнтація кристалів льоду: Орієнтація кристалів льоду впливає на легкість, з якою вони можуть деформуватися. Кристали льоду, вирівняні у вигідній для деформації орієнтації, сприятимуть більшому руху льодовика.

Подумайте про це як про стопку гральних карт, які штовхають збоку; карти ковзають одна проти одної. У льодовику кристали льоду грають роль карт.

Базальне ковзання

Базальне ковзання відбувається, коли льодовик ковзає по своєму ложу. Цей процес полегшується наявністю води на межі розділу лід-ложе. Вода може виникати з:

• Танення під тиском: тиск від вищерозташованого льоду знижує температуру плавлення води, внаслідок чого лід на основі тане.
• Геотермальне тепло: тепло з надр Землі може розтопити лід на основі льодовика.
• Поверхневі талі води: талі води з поверхні льодовика можуть проникати вниз через тріщини та муліни (вертикальні шахти) до ложа.

Наявність води зменшує тертя між льодовиком і його ложем, дозволяючи льодовику ковзати легше. На швидкість базального ковзання впливають такі фактори, як:

• Тиск води: Більший тиск води зменшує тертя та збільшує швидкість ковзання.
• Шорсткість ложа: Більш гладке ложе забезпечує легше ковзання, тоді як шорстке ложе збільшує тертя.
• Відклади: Наявність відкладів на ложі може або полегшити, або перешкодити ковзанню, залежно від їх властивостей.

Базальне ковзання є особливо важливим механізмом для швидкоплинних льодовиків та льодових потоків, які можуть рухатися зі швидкістю кілька метрів на день.

Типи льодовикового потоку

Хоча внутрішня деформація та базальне ковзання є основними механізмами руху льодовиків, льодовики демонструють різну поведінку потоку залежно від їхніх характеристик та умов навколишнього середовища. До них належать:

• Ламінарний потік
• Пробковий потік
• Розтягуючий і стискаючий потік
• Льодовикові сплески

Ламінарний потік

Ламінарний потік виникає, коли шари льоду плавно ковзають один повз одного, не змішуючись. Цей тип потоку є типовим для холодніших льодовиків з відносно низькою швидкістю потоку. Профіль швидкості ламінарного потоку такий, що лід на основі рухається повільніше, ніж лід на поверхні, через тертя з ложем.

Пробковий потік

Пробковий потік виникає, коли весь льодовик рухається як єдиний блок, без значної внутрішньої деформації. Цей тип потоку поширений у льодовиків з відносно гладким ложем і високим тиском води. Профіль швидкості пробкового потоку більш рівномірний, ніж ламінарного потоку, при цьому лід на поверхні та основі рухається з подібною швидкістю.

Розтягуючий і стискаючий потік

Розтягуючий і стискаючий потік виникає в районах, де змінюється нахил ложа льодовика. В районах, де нахил ложа збільшується (розтягуючий потік), льодовик розтягується та стоншується. В районах, де нахил ложа зменшується (стискаючий потік), льодовик стискається і товщає. Ці схеми потоку можуть створювати тріщини (глибокі тріщини в льоду) у розтягуючих областях та огіві (смугасті візерунки на поверхні льодовика) у стискаючих областях.

Тріщини утворюються там, де напруга розтягу в льоду перевищує його міцність. Вони можуть бути небезпечними для альпіністів і дослідників.

Льодовикові сплески

Льодовикові сплески — це періоди швидкого прискорення льодовикового потоку, під час яких льодовик може рухатися зі швидкістю десятки або навіть сотні метрів на день. Сплески зазвичай викликаються накопиченням тиску води на ложі льодовика, що зменшує тертя та дозволяє льодовику швидко ковзати. Точні механізми, що викликають сплески, ще досліджуються, але вважається, що такі фактори, як зміни у водопостачанні, топографія ложа та товщина льоду, відіграють певну роль.

Одним з найбільш добре задокументованих льодовиків сплесків є Variegated Glacier на Алясці, який зазнав значного сплеску в 1995 році після десятиліть спокою. Сплеск призвів до значних змін у геометрії льодовика та характері потоку.

Фактори, що впливають на рух льодовиків

Багато факторів впливають на швидкість і стиль руху льодовиків. До них належать:

• Клімат
• Топографія
• Геологія
• Розмір і товщина льодовика

Клімат

Клімат є основним фактором руху льодовиків. Зміни температури та опадів впливають на масовий баланс льодовика, що, у свою чергу, впливає на швидкість його потоку. Тепліші температури призводять до збільшення танення та зменшення накопичення, змушуючи льодовики тоншати та відступати. І навпаки, більш низькі температури та збільшення опадів призводять до збільшення накопичення та наступу льодовика.

Наслідки зміни клімату відчуваються в усьому світі. Наприклад, льодовики Гімалаїв, які часто називають «водними вежами Азії», швидко тануть через підвищення температури. Це має значні наслідки для водних ресурсів та сільського господарства в регіоні.

Топографія

Топографія місцевості, над якою тече льодовик, впливає на його рух. Круті схили сприяють більшій швидкості потоку, тоді як пологі схили сповільнюють потік. Форма долини або басейну, в якій розташований льодовик, також впливає на його характер потоку. Звуження в долині може змусити льодовик прискоритися, тоді як ширші ділянки можуть змусити його сповільнитися.

Розглянемо контраст між долинним льодовиком, обмеженим крутими гірськими стінами, та льодовиковим щитом, що розповсюджується на відносно рівнинній рівнині. Долинний льодовик, як правило, демонструватиме вищі швидкості потоку через крутіший схил.

Геологія

Геологія ложа льодовика впливає на швидкість базального ковзання. Гладке, непроникне ложе сприяє швидшому ковзанню, тоді як шорстке, проникне ложе його сповільнює. Наявність відкладів на ложі також може впливати на швидкість ковзання, залежно від їх властивостей. Наприклад, деякі типи відкладів (як-от м’які глини) можуть легко деформуватися та дозволити льодовику ковзати легше.

Розмір і товщина льодовика

Більші, товстіші льодовики, як правило, рухаються швидше, ніж менші, тонші льодовики. Це пов’язано з тим, що вага льоду збільшує тиск на кристали льоду, сприяючи внутрішній деформації, і тиск води на ложі, сприяючи базальному ковзанню.

Вплив руху льодовиків

Рух льодовиків має глибокий вплив на ландшафт, клімат і людські суспільства.

• Еволюція ландшафту
• Регулювання клімату
• Водні ресурси
• Природні небезпеки

Еволюція ландшафту

Льодовики є потужними агентами ерозії та відкладення. Під час руху вони висікають долини, формують гори та транспортують величезну кількість осаду. Льодовикова ерозія створює характерні форми рельєфу, такі як:

• U-подібні долини
• Цирки (чашоподібні западини)
• Арети (гострі хребти)
• Роги (пірамідальні піки)
• Штрихування (подряпини на корінній породі)

Льодовикове відкладення створює форми рельєфу, такі як:

• Морени (хребти осаду, відкладені на краях льодовика)
• Ескери (звивисті хребти осаду, відкладені потоками талих вод під льодовиком)
• Ками (кургани осаду, відкладені на поверхні льодовика)
• Заплави (плоскі ділянки осаду, відкладені потоками талих вод за межами кінця льодовика)

Фьорди Норвегії є класичним прикладом U-подібних долин, вирізаних льодовиками під час минулих льодовикових періодів. Великі озера Північної Америки також утворилися внаслідок льодовикової ерозії.

Регулювання клімату

Льодовики відіграють певну роль у регулюванні клімату Землі. Їхні яскраві поверхні відбивають сонячне світло назад у космос, допомагаючи підтримувати прохолоду на планеті. Вони також зберігають велику кількість води, що може пом’якшити стік і допомогти захиститися від посух.

Однак, коли льодовики тануть через зміну клімату, вони сприяють підвищенню рівня моря та зменшують кількість сонячного світла, що відбивається назад у космос, що може ще більше прискорити потепління.

Водні ресурси

Льодовики є важливим джерелом прісної води для багатьох регіонів світу. Тала вода з льодовиків забезпечує воду для пиття, зрошення та гідроенергетики. Однак, коли льодовики зменшуються через зміну клімату, наявність цієї води знаходиться під загрозою.

В Андах Південної Америки багато громад покладаються на талу воду з льодовиків для водопостачання. Скорочення льодовиків у цьому регіоні спричиняє нестачу води та конфлікти щодо водних ресурсів.

Природні небезпеки

Рух льодовиків також може становити природну небезпеку. Льодовикові сплески можуть викликати катастрофічні повені, відомі як йокульхаупи. Ці повені можуть затоплювати низинні райони, спричиняючи широкомасштабні збитки та загибель людей.

Вулкан Грімсвьотн в Ісландії розташований під льодовиковим покривом Ватнайокуль. Виверження Грімсвьотна може розтопити велику кількість льоду, викликаючи йокульхаупи, які можуть загрожувати інфраструктурі та громадам нижче за течією.

Моніторинг руху льодовиків

Моніторинг руху льодовиків має важливе значення для розуміння динаміки льодовиків та їхньої реакції на зміну клімату. Для моніторингу руху льодовиків використовується кілька методів, зокрема:

• Дистанційне зондування з використанням супутників
• Наземні дослідження
• Вимірювання GPS
• Фотографування з інтервалом часу

Дистанційне зондування з використанням супутників

Дистанційне зондування з використанням супутників забезпечує економічно ефективний і ефективний спосіб моніторингу руху льодовиків на великих територіях. Зображення з супутників можна використовувати для відстеження змін у межах льодовика, швидкості потоку та висоти поверхні. Інтерферометричний радар із синтезованою апертурою (InSAR) є особливо корисним методом для вимірювання руху льодовиків, оскільки він може виявляти незначні зміни на поверхні Землі з високою точністю.

Наземні дослідження

Наземні дослідження передбачають проведення прямих вимірювань руху льодовиків за допомогою геодезичних приладів, таких як теодоліти. Ці вимірювання можуть надати високоточні дані про швидкість потоку льодовиків і схеми деформації. Однак наземні дослідження є трудомісткими та можуть бути складними для проведення у віддалених і небезпечних умовах.

Вимірювання GPS

Вимірювання GPS (Глобальної системи позиціонування) забезпечують відносно простий і точний спосіб відстеження руху льодовиків. Приймачі GPS можна розмістити на поверхні льодовика та використовувати для відстеження їхнього положення з часом. Дані, зібрані з приймачів GPS, можна використовувати для обчислення швидкості потоку льодовиків і швидкості деформації.

Фотографування з інтервалом часу

Фотографування з інтервалом часу передбачає зйомку серії фотографій льодовика з часом. Порівнюючи фотографії, можна візуалізувати рух льодовика та відстежувати зміни в межах льодовика та особливостях поверхні. Фотографування з інтервалом часу може бути цінним інструментом для залучення громадськості та підвищення обізнаності про вплив зміни клімату на льодовики.

Висновок

Рух льодовиків — це складне та захоплююче явище, яке відіграє вирішальну роль у формуванні нашої планети. Розуміння механізмів руху льодовиків, факторів, які на нього впливають, та його впливу на ландшафт, клімат і людські суспільства має важливе значення для вирішення проблем, поставлених зміною клімату, та сталого управління водними ресурсами.

Оскільки льодовики продовжують танути та відступати у відповідь на зміну клімату, як ніколи важливо контролювати їхній рух і розуміти наслідки для майбутнього.

Використовуючи комбінацію наукових досліджень, технологічних досягнень та залучення громадськості, ми можемо отримати глибше розуміння руху льодовиків та працювати над більш сталим майбутнім для нашої планети.

Додаткова література

• Paterson, W. S. B. (1994). *The physics of glaciers* (3rd ed.). Butterworth-Heinemann.
• Benn, D. I., & Evans, D. J. A. (2010). *Glaciers & glaciation* (2nd ed.). Hodder Education.