Физика природных льдов Земли
Покупка
Тематика:
Прикладная физика
Издательство:
Интеллект
Автор:
Тарасов Лев Васильевич
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 272
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-91559-132-4
Артикул: 449664.01.01
Доступ онлайн
В корзину
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 05.00.00: НАУКИ О ЗЕМЛЕ
- ВО - Бакалавриат
- 05.03.06: Экология и природопользование
- ВО - Магистратура
- 05.04.06: Экология и природопользование
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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
Доступ онлайн
В корзину