Подледный ручей
Подледные потоки — проводники талой ледниковой воды, протекающей у подножия ледников и ледяных шапок . [ 1 ] Талая вода с ледниковой поверхности стекает вниз по леднику, образуя внутриледниковую дренажную систему, состоящую из сети ходов, которые в конечном итоге достигают коренных пород внизу, где образуют подледниковые потоки. [ 1 ] Подледные потоки образуют систему туннелей и взаимосвязанных полостей и каналов, в которых вода течет под экстремальным давлением изо льда выше; в результате направление потока определяется градиентом давления льда и топографией дна, а не силой тяжести. [ 1 ] Подледные потоки образуют динамическую систему, которая реагирует на изменяющиеся условия, и система может значительно меняться в ответ на сезонные колебания талой воды и температуры. [ 2 ] Вода из подледниковых ручьев направляется к оконечности ледника , где она выходит из ледника. [ 2 ] Сбросы подледниковых потоков могут оказывать существенное влияние на местные, а в некоторых случаях глобальные, экологические и геологические условия. [ 3 ] Отложения, питательные вещества и органические вещества, содержащиеся в талой воде, могут влиять на условия нижнего течения и морские условия. [ 4 ] Изменение климата может оказать существенное влияние на системы подледных водотоков, увеличивая объем талой воды, попадающей в подледниковые дренажные системы, и влияя на их гидрологию . [ 2 ]
Формирование
[ редактировать ]Подледниковые потоки получают воду из двух источников: талой воды, переносимой с вершины ледника, и талой воды из ледникового ложа. [ 2 ] Когда температура достаточно высока, чтобы вызвать таяние поверхности ледника, обычно летом, вода стекает в ледник. [ 2 ] Поверхностная талая вода течет вниз по каналам миллиметрового размера, которые соединяются в сеть притоков, увеличиваясь в размерах, пока не достигают коренных пород. [ 1 ] Кроме того, некоторое количество воды переносится на поверхность муленами (большими вертикальными валами шириной до десяти метров, которые простираются от поверхности до более низких отметок, иногда вплоть до ледникового ложа). [ 5 ] [ 1 ] Разломы, трещины и полости между ледниками и стенами долины также могут служить путями для воды, достигающей дна. [ 5 ] Хотя поверхностная талая вода может зависеть от сезона, в слоях ледников умеренного пояса сохраняется температура плавления (сочетание температуры и давления, при котором тает лед). [ 2 ] Эта жидкая вода на дне, присутствующая в ледниках умеренного пояса, но не в полярных, обеспечивает постоянный приток воды в подледниковые водотоковые системы. [ 2 ] Вода из этих двух источников встречается и концентрируется у подножия ледника, где давление льда наверху заставляет ее двигаться к концу ледника, создавая сеть проходов по мере выхода из ледника. [ 2 ]
Гидрология
[ редактировать ]Направление потоков
[ редактировать ]Вода в подледных ручьях подвергается большому давлению со стороны массы льда наверху; в результате направление потока воды нельзя объяснить так же, как типичные поверхностные потоки. [ 2 ] Подледный поток воды в значительной степени определяется градиентами давления, создаваемыми весом и движением ледника. [ 1 ] В результате, вместо того, чтобы следовать по склону русла, ручьи могут течь вверх и поперек склонов. [ 2 ] Такое поведение можно описать, рассматривая давление внутри ледников как эквипотенциальные поверхности; поскольку вода выталкивается из областей высокого давления в области низкого давления, она движется в направлении, нормальном к этим поверхностям. [ 1 ]
Потоковые системы
[ редактировать ]Системы подледных водотоков можно разделить на две категории в зависимости от расположения и типа каналов, составляющих систему: канальные и распределенные. [ 5 ]
Направленный
[ редактировать ]Канальные дренажные системы характеризуются тем, что вода течет преимущественно через туннели вдоль ложа ледника, которые быстро и непосредственно доставляют талую воду к концу ледника. [ 5 ] Эти туннели образуют сеть притоков, соединяющихся друг с другом и увеличивающихся в размерах по мере приближения к конечной остановке. [ 2 ] Вода в этих системах движется быстро, а давление внутри каналов относительно низкое по сравнению с давлением во льду вокруг них. [ 5 ] Турбулентность быстрого потока выделяет тепло, способное растопить ледяные стены туннелей. [ 5 ] Хотя общий объем воды, добавляемой в систему в результате этого процесса, незначителен по сравнению с водой с поверхности и в результате таяния в основании, таяние стенок канала позволяет каналу оставаться открытым даже тогда, когда давление окружающего его льда намного превышает давление вода внутри. [ 5 ] Постоянная эрозия стен тоннеля способна компенсировать сужение тоннеля, вызванное деформацией льда. [ 5 ] В зависимости от водоснабжения и характеристик дна тоннели могут иметь различную форму: полукруглые, врезающиеся в лед, широкие и низкие, а также тоннели, врезающиеся в дно, а не во лед. [ 2 ] Широкие и низкие туннели образуются в каналах с переменным количеством талой воды, поскольку таяние концентрируется на стенках туннеля, а не на потолке, когда туннель не полностью заполнен водой. [ 2 ] Каналы, которые поддерживают долгосрочную стабильность потока воды и местоположения, могут со временем разрушить коренную породу, в результате чего образуются туннели, которые врезаются в дно, а не во лед над ним. [ 2 ]
Распределенный
[ редактировать ]Распределенные дренажные системы могут состоять из сети связанных полостей, пористого потока и каналов в отложениях, а также тонкой пленки между льдом и слоем. [ 5 ] Пленки воды между льдом и коренными породами редко бывают толще десятков микрометров и образуются на участках, изолированных от каналов и полостей, поддерживаемых при температуре плавления под давлением и находящихся над непроницаемым слоем. [ 2 ] Поток в пленках не составляет большого количества общего потока талой воды из ледника, но может играть важную роль в скользящем движении ледников . [ 2 ] В тех случаях, когда ледники находятся над пористыми рыхлыми отложениями, некоторое количество воды может течь через осадки; Как и пленочный поток, пористый поток не составляет значительной части потока воды в системе. [ 2 ] При деформируемости ложа на поверхности осадков, увенчанных ледниковым льдом, могут образовываться широкие неглубокие каналы шириной до 10 см. [ 2 ] [ 6 ] В ледниках с крутыми склонами системы каналов неустойчивы, так как легко поглощаются каналами над осадками. [ 6 ] Когда ледники движутся по неровностям коренной породы, разница в давлении может отделить лед от ложа за выступом, если ледник движется достаточно быстро. [ 2 ] [ 1 ] Это создает полости между ледником и ложем, которые заполняются водой. [ 2 ] Если давление воды достаточно велико, полость расширяется, и вода может вызвать большее разделение между льдом и слоем, окружающим полость. [ 1 ] При устойчивом водоснабжении между полостями образуются небольшие проходы, создавая большую сеть связанных полостей, между которыми течет вода. [ 1 ] Вода в системах связанных полостей течет в среднем в направлении, нормальном к эквипотенциальным поверхностям давления в леднике. [ 1 ] Однако выбранный путь длинный и непрямой, и иногда вода может течь почти параллельно эквипотенциальным поверхностям. [ 1 ]
Сезонная изменчивость
[ редактировать ]Структура подледниковых водотоковых систем существенно меняется с течением времени в результате сезонных изменений объема и источников поступления талых вод. [ 5 ] Зимой в подледниковых речных системах преобладают распределенные потоки. [ 5 ] Поскольку в этот сезон поверхностное таяние очень незначительное, почти вся талая вода образуется в результате базального таяния и выброса накопленной талой воды. [ 5 ] Оба этих источника содержат небольшое количество воды, высвобождаемой относительно равномерно по всему ложу ледника, что делает маловероятным образование крупных дренажных каналов. [ 2 ] Некоторые крупные туннели остаются в системе круглый год и являются основными точками сброса в зимний период, но система в целом характеризуется распределенным дренажем. [ 5 ] По мере повышения температуры и таяния поверхности увеличивается приток воды к руслу поздней весной, система зимних водотоков нарушается. [ 2 ] Распределенные каналы, не способные принимать повышенные объемы талой воды, испытывают повышение давления воды и дестабилизируются. [ 2 ] Высокое давление воды приводит к образованию более крупных туннелей (процесс, известный как образование каналов), которые имеют большую пропускную способность для талой воды и позволяют падать давлению. [ 7 ] Это изменение может происходить постепенно или может быть вызвано событиями, которые быстро увеличивают поток талой воды, такими как последовательные дни сильного таяния или сильный ливень. [ 2 ] Система, теперь имеющая каналы, расширяется в размерах в течение лета, поскольку приток талой воды продолжает увеличиваться, при этом формируются и увеличиваются в размерах новые каналы. [ 2 ] Осенью поверхностное таяние уменьшается, и объема талой воды уже недостаточно для поддержания вновь образовавшихся каналов; деформация окружающего льда медленно закрывает каналы, которые не вызывают достаточного фрикционного таяния вдоль своих стенок, чтобы компенсировать закрытие. [ 2 ] В конце концов, система распределенных потоков снова становится доминирующей. [ 2 ] Некоторые многолетние каналы сохраняются в течение всего зимнего сезона, но каналы, образовавшиеся весной, исчезают — когда в следующем году снова образуются новые туннели, они образуются не в тех же местах, что и закрывшиеся. [ 5 ]
Воздействие на ледниковые системы
[ редактировать ]Подводное таяние ледников
[ редактировать ]
Сброс в океан систем подледниковых водотоков ледников, заканчивающихся морскими водами, оказывает существенное влияние на объем и распределение таяния ледников на оконечности. [ 8 ] Сброс ледниковых потоков в океан проявляется в виде шлейфов, поднимающихся к поверхности океана по лицу ледника, которые могут служить источниками тепла для таяния ледников. [ 9 ] Таяние льда из-за сбросных шлейфов оказывает значительное влияние на территории, где скорость сброса превышает 100 м. 3 /с −1 ; при меньших скоростях сброса тепло, связанное с шлейфом, незначительно по сравнению с эффектами перемешивания океана. [ 9 ] Сезонная изменчивость играет важную роль в том, как подледные потоки влияют на таяние ледников. [ 10 ] Летом выход подледных потоков намного выше, в результате чего шлейфы становятся крупнее, быстрее и плавучее, чем зимой. [ 10 ] Помимо увеличения объема сброса, увеличивающего таяние ледника, повышенная плавучесть шлейфа приводит к большей турбулентности и, следовательно, к большей передаче тепла леднику, что еще больше увеличивает таяние. [ 10 ] Влияние стока подледных рек на таяние ледников также зависит от типа подледниковой дренажной системы; Распределенные подледные потоки приводят к равномерному выходу талой воды по линии заземления (там, где ледник переходит от заземленного к плавающему льду), тогда как канальный дренаж приводит к образованию отдельных крупных выходов. [ 8 ] Распределенный сток приводит к тому, что объемы таяния ледников в пять раз превышают объемы канализированного дренажа, поскольку отдельные сильные шлейфы талой воды не так способны вызвать широкомасштабное таяние, как гораздо большее количество меньших потоков. [ 8 ]
Ледниковое движение
[ редактировать ]В ледниках умеренного пояса, которые характеризуются наличием жидкой воды в их основании и способны скользить, значительное влияние на движение ледников оказывают подледные потоки. Давление воды и трение, испытываемые у подножия ледника, частично зависят от того, является ли подледная гидрологическая система канализированной или распределенной. [ 5 ] Канальные системы являются эффективной формой дренажа, поскольку они способны быстро выводить воду из ледника, снижая давление воды в системе. [ 5 ] При уменьшении давления воды под ледником трение между ледниковым льдом и коренной породой внизу увеличивается, замедляя движение ледника. [ 5 ] Для систем с распределенным потоком, напротив, характерно медленное движение воды в небольших полостях и проходах; когда приток воды в систему увеличивается, например, в периоды сильного таяния воды, система не может компенсировать это, что приводит к значительному увеличению базального давления воды. [ 5 ] В результате трение между ледником и ложем уменьшается, а скорость скольжения ледника увеличивается. [ 5 ] Движение ледников также может вызывать изменения в системах подледных водотоков, и между ними существует обратная связь. [ 7 ] По мере увеличения давления подледной воды увеличивается скорость оползня ледников. Ледник при скольжении натыкается на неровности коренной породы: в результате между льдом и ложем образуются полости. [ 7 ] Ледник сталкивается с большим количеством неровностей из-за своей более высокой скорости, и, поскольку лед, движущийся с более высокой скоростью, менее способен поддерживать связь с коренной породой, более быстро движущиеся ледники с большей вероятностью образуют полости при прохождении через неровности. [ 2 ] [ 1 ] Это увеличивает подледное пространство, которое может быть заполнено водой, снижая базальное давление воды. [ 7 ] Взаимодействие между движением ледников и подледной гидрологией создает петлю отрицательной обратной связи, в которой повышенное давление воды под ледником увеличивает скорость скольжения ледника, что, в свою очередь, снижает давление и, следовательно, скорость скольжения. Благодаря этому механизму эффекты ускорения могут со временем ослабевать. [ 7 ] Еще одним средством контроля скорости скольжения ледников является процесс образования каналов. [ 7 ] Устойчиво высокие уровни поступления талой воды приводят к переходу от распределенной сети подледниковых потоков к более упорядоченной системе по мере развития более крупных проходов сквозь лед. [ 7 ] Поскольку более крупные каналы способны более эффективно удалять воду из подледной системы, давление воды снижается, увеличивая трение между ледником и коренной породой и уменьшая скорость скольжения. [ 7 ] Образование каналов является наиболее важным процессом в прекращении явлений ускорения и отвечает за замедление скорости ледников в конце лета после ускорения, обычно наблюдаемого при увеличении потока талой воды весной. [ 7 ]
Транспортировка материалов
[ редактировать ]Питательные вещества и органические вещества
[ редактировать ]Подледниковые потоки несут значительное количество органического вещества и питательных веществ, происходящих как за счет надледниковых талых вод, так и за счет подледниковых процессов. [ 4 ] , произведенный микробами Талая вода из надледниковой среды, содержащая растворенный органический углерод , или DOC, стекает в ледники, в конечном итоге достигая систем подледных рек, которые выносят органические вещества из ледника. [ 4 ] Этот источник DOC дополняется органическими веществами, образующимися в подледниковых экосистемах, где существуют разнообразные микробные сообщества. [ 4 ] Хотя концентрация растворенного органического вещества в талой ледниковой воде невелика, огромное количество сброса пресной воды с ледников делает получаемый из ледников DOC важным источником биодоступного углерода для морских экосистем. [ 11 ] Только в заливе Аляски ледниковый сток обеспечивает 0,13 Тг органического углерода в год, большая часть которого проходит через подледниковые потоки. [ 11 ] Подледные потоки также переносят различные другие важные питательные вещества. Геологические процессы, в том числе измельчение ледников о коренную породу внизу и взаимодействие воды и породы, обеспечивают непрерывную подачу полезных ископаемых в подледную систему. [ 4 ] [ 3 ] Например, железо, переносимое подледными потоками, в основном образуется в результате подледникового выветривания и может быть ответственным за поток Fe, достаточно большой, чтобы существенно влиять на химию глобального океана в геологических временных масштабах. [ 3 ] Биологические процессы также обеспечивают питательными веществами подледниковые потоки, при этом нитрификация и денитрификация микробами затрагивают сообщества, расположенные ниже по течению, в периоды таяния. [ 4 ]
осадок
[ редактировать ]Подледные потоки могут переносить, откладывать и удалять отложения со ложа ледника; на этот процесс влияют водоснабжение, а также количество и характеристики имеющихся отложений. [ 12 ] Размер частиц наносов, наклон русла подледникового потока и неровность дна - все это влияет на то, мобилизуются или откладываются отложения. [ 12 ] Подледные наводнения могут привести к значительной эрозии и переносу отложений , а исследования, моделирующие подледные каналы, показывают, что сезонный поток талой воды сам по себе может разрушать коренную породу и переносить отложения размером с валуны. [ 12 ] И наоборот, когда давление воды низкое, например, в конце сезона таяния, откладываются осадки. [ 12 ] Когда поступление наносов достаточно велико, отложения наносов могут образовывать озу : удлиненный хребет наносов, заполняющий русло подледникового потока, в котором они образуются. [ 13 ] Эти озы могут быть временными и сохраняться только до тех пор, пока повышение давления воды во время следующего сезона таяния не вымоет осадок, или они могут быть постоянными. [ 12 ] Постоянное образование озов чаще встречается при отступающих ледниках и ледниковых щитах, поскольку их концы истончаются, что способствует отложению осадков. [ 12 ] Наступающие ледники и ледниковые щиты имеют крутизну концов, что увеличивает напряжения сдвига и, следовательно, давление воды, что способствует вымыванию отложенных осадков из русел рек. [ 12 ]
Изменение климата
[ редактировать ]Антропогенное изменение климата, вероятно, приведет к значительным изменениям в системах подледных водотоков. По мере увеличения таяния ледников в результате повышения глобальной температуры приток воды в подледные потоки и сброс из них также увеличивается. [ 11 ] Увеличение поступления воды в результате таяния поверхности может повлиять на гидрологию подледниковых систем, изменяя сроки сезонных колебаний. [ 14 ] В результате увеличения количества талой воды, вызванного изменением климата, большие объемы воды, вероятно, достигнут дна в начале года. [ 14 ] Это приведет к тому, что переход от зимнего распределенного подледникового дренажа к летнему русловому стоку произойдет раньше в этом году. [ 14 ] На движение ледников также может повлиять: поскольку ледники, в которых преобладают русловые системы, имеют меньшую скорость скольжения, более ранний переход к этой системе может привести к более медленному движению ледников. [ 14 ] Однако кратковременные колебания объема и давления талой воды, которые могут стать более интенсивными по мере увеличения стока, могут компенсировать это уменьшение скольжения, вызывая локальное ускорение. [ 14 ] Увеличение объема стоков подледниковых потоков, вероятно, приведет к увеличению таяния ледников, заканчивающихся морскими водами, поскольку скорость подводного таяния очень чувствительна к объему подледниковых стоков. [ 10 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м [1] Гук, Роджер ЛеБ. «Англяциальная и подледниковая гидрология: качественный обзор». Арктические и альпийские исследования 21, вып. 3 (1 августа 1989 г.): 221–33. https://doi.org/10.1080/00040851.1989.12002734 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб [2] Хаббард, Брин и Питер Ниноу. «Альпийская подледная гидрология». Четвертичные научные обзоры 16, вып. 9 (1 января 1997 г.): 939–55. https://doi.org/10.1016/S0277-3791(97)00031-0 .
- ^ Перейти обратно: а б с [3] Стивенсон, Э.И., М.С. Фантл, С.Б. Дас, Х.М. Уильямс и С.М. Асьего. «Изотопный состав железа подледных потоков, дренирующих ледниковый щит Гренландии». Geochimica et Cosmochimica Acta 213 (15 сентября 2017 г.): 237–54. https://doi.org/10.1016/j.gca.2017.06.002 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж [4] Рен, Зе, Николас Мартынюк, Изабелла А. Олекси, Аншуман Суэйн и Скотт Хоталинг. «Экологическая стехиометрия горной криосферы». Границы экологии и эволюции 7 (2019). https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fevo.2019.00360 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с [5] Бултон Г.С., Р. Ланн, П. Видстранд и С. Зацепин. «Подледный дренаж за счет соединения грунтовых вод и каналов и происхождение эскерских систем: Часть 1 — Гляциологические наблюдения». Четвертичные научные обзоры 26, вып. 7 (1 апреля 2007 г.): 1067–90. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2007.01.007 .
- ^ Перейти обратно: а б [6] Уолдер, Джозеф С. и Эндрю Фаулер. «Каналированный подледный дренаж над деформируемым слоем». Журнал гляциологии 40, вып. 134 (изд. 1994 г.): 3–15. https://doi.org/10.3189/S0022143000003750 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я [7] Хоффман, Мэтью и Стивен Прайс. «Обратная связь между совместной подледной гидрологией и динамикой ледников». Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли 119, вып. 3 (2014): 414–36. https://doi.org/10.1002/2013JF002943 .
- ^ Перейти обратно: а б с д [8] Слейтер, Д.А., П.В. Ниноу, Т.Р. Коутон, Д.Н. Голдберг и А.Дж. Соле. «Влияние подледной гидрологии вблизи конечной точки на скорость подводного таяния ледников приливной воды». Письма о геофизических исследованиях 42, вып. 8 (2015): 2861–68. https://doi.org/10.1002/2014GL062494 .
- ^ Перейти обратно: а б [9] Бендтсен, Йорген, Джон Мортенсен, Кунук Леннерт и Сорен Рюсгаард. «Источники тепла для таяния ледникового льда в ледниковом фьорде, выходном приливной воде Западной Гренландии: роль подледникового сброса пресной воды». Письма о геофизических исследованиях 42, вып. 10 (2015): 4089–95. https://doi.org/10.1002/2015GL063846 .
- ^ Перейти обратно: а б с д [10] Шаша Р., Ф. Странео, К. Сенедез и П. Хаймбах. «Сезонная изменчивость скорости подводного таяния и циркуляции в восточно-гренландском фьорде». Журнал геофизических исследований: Океаны 118, вып. 5 (2013): 2492–2506. https://doi.org/10.1002/jgrc.20142 .
- ^ Перейти обратно: а б с [11] Худ, Эран, Джейсон Феллман, Роберт Г.М. Спенсер, Питер Дж. Хернес, Рик Эдвардс, Дэвид Д'Амор и Дюрел Скотт. «Ледники как источник древних и лабильных органических веществ в морской среде». Природа 462, вып. 7276 (декабрь 2009 г.): 1044–47. https://doi.org/10.1038/nature08580 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г [12] Бод, Флавиен, Гвенн Э. Флауэрс и Джереми Г. Вендитти. «Моделирование переноса отложений в подледных каналах с ледяными стенками и его влияние на формирование эскера и выход прогляциальных отложений». Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли 123, вып. 12 (2018): 3206–27. https://doi.org/10.1029/2018JF004779 .
- ^ [13] Хьюитт, Ян Дж. и Тимоти Т. Крейтс. «Модель формирования эскеров». Письма о геофизических исследованиях 46, вып. 12 (2019): 6673–80. https://doi.org/10.1029/2019GL082304 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и [14] Маяуд, Джером Р., Элисон Ф. Банвелл, Нил С. Арнольд и Ян К. Уиллис. «Моделирование реакции подледного дренажа в Паакитсоке, Западная Гренландия, на изменение климата в 21 веке». Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли 119, вып. 12 (2014): 2619–34. https://doi.org/10.1002/2014JF003271 .