Страница 6 из 39
В определении фирна нет однозначной трактовки. Американский гляциолог М. Майер склоняется к признанию за фирном состояния, которое становится непроницаемым для просачивающейся влаги. Этот уровень достигается при плотности 0,55. Часто для умеренных ледников фирном считается перелетовавший снег, еще не достигший полной водонепроницаемости. Для полярных ледников трактовка фирна может быть несколько иной.
Физические свойства снега и фирна важны в нескольких аспектах. Прежде всего снег является плохим проводником тепла и потому при большой мощности защищает почву от промерзания. В то же время снег может (одержать большое количество воды: до 40% общего объема, или до 75% общего веса. В водонасыщенном состоянии снег становится источником лавин, оказывающих немалое воздействие на рельеф и всю природу гор. При низких температурах снег становится упругим, а ближе к 0° С — вязким. Соответственно снег приобретает способность сползать по уклону, если при трении выделяется скрытое тепло; тепло оплавляет концы кристаллов, и происходит движение оставшихся зерен снега.
Превращение фирна в лед — очень медленный процесс, для которого требуется разное время в зависимости от конкретных условий. Например, на леднике Сьюорд на Аляске этот процесс требует трех—пяти лет и завершается на глубине около 13 м, а на альпийском леднике Клариденфернер через 12 лет все еще была различима структура фирна, и полное превращение его в лед происходит за 25—40 лет. В Гренландии, где снегонакопление меньше, этот процесс идет медленнее, занимая не менее 125 лет, и заканчивается на глубинах свыше 60 м.
С превращением фирна в лед кристаллическая структура изменяется, при этом размеры кристаллов заметно увеличиваются и в отдельных случаях достигают 20—30 см в поперечнике. Одновременно весь воздух собирается в отдельные пузырьки. Именно с этого момента можно считать, что фирн превратился в ледниковый лед с плотностью 0,80—0,85 г/см3. Впоследствии по мере накопления все новых порций снега нагрузка на лед возрастает и соответственно уменьшаются размеры содержащихся в нем воздушных пузырьков. В конечном итоге они становятся невидимыми и лед приобретает прозрачность, его плотность достигает 0,88—0,91 г/см3. На альпийском леднике Мер-де-Глас для достижения такого состояния требуется 50 лет.
Все эти преобразования наблюдаются в природе. Представим себе, что мы вошли в глубокий туннель, пропиленный рекой сквозь многолетний снежник. В стенках туннеля легко различить чередование рыхлых и плотных слоев, что характерно для фирновых толщ. В более плотных слоях процесс перекристаллизации снега зашел наиболее далеко.
Ледники сложены поликристаллическим льдом, структура которого унаследована от снежинок, некогда выпавших в горах. Следовательно, ледниковый лед является метаморфической породой, и в его строении четко выражена слоистость, указывающая, что исходный материал образовался при повторных снегопадах. Сезонная слоистость подчеркивается прослоями пыли, скапливающейся на поверхности ледника между снегопадами.
Если исследовать прослои пыли под микроскопом, то можно обнаружить там зерна пыльцы и споры растений, занесенные ветром на ледник. Поскольку основная масса пыльцы продуцируется весной и ранним летом, слои, обогащенные пыльцой, приобретают маркирующее значение для сезонной дифференциации снежно-фирновых толщ и позволяют подсчитать снегонакопление на горных ледниках. Такие исследования успешно проводились на ледниках Эльбруса и Полярного Урала.
Для стратификации снежно-фирновых толщ нередко применяется анализ минеральных частиц из прослоев пыли, причем наиболее эффективным оказалась фиксация содержания радиоактивных изотопов 90Sr и 137Cs. В качестве одного из примеров сошлемся на работы экспедиции Института географии АН СССР на Шпицбергене. Анализ содержания изотопов в ледяном керне, взятом на ледоразделе ледниковой системы Грёнфьорд — Фритьоф, показал, что за период 1951—1975 гг. скорость снегонакопления составляла 75 см/год.
Датируют сезонные слои снега и льда обычно вместе с их кристаллографическими исследованиями, что позволяет глубоко разобраться в процессах превращения снега в лед. Поскольку такое превращение зависит от климатических факторов, вполне естественно, что на разных высотных ступенях ледников эти процессы проявляются неодинаково. На ледниках удается выделить несколько зон льдообразования, заметно различающихся по характеру гляциологических процессов. Самая холодная из них — рекристаллизационная — занимает вершины наиболее высоких гор, где летние температуры остаются отрицательными. Это исключает возможность образования талой воды. Для превращения снега в лед в данных условиях требуется накопление больших масс твердых осадков и длительное время. Классические примеры рекристаллизационной зоны — внутренние области районов современного покровного оледенения Антарктиды и Гренландии. В общем случае к этой зоне примыкает режеляционно-рекристаллизационная, иногда именуемая зоной просачивания. Климат ее несколько мягче. Летом здесь возможно кратковременное таяние поверхностного слоя снега с образованием талой воды, при последующем ее замерзании появляются корочки режеляционного льда.
У нижней границы режеляционно-рекристаллизационной зоны в летние месяцы скапливается довольно много воды, которая замерзает, просачиваясь в холодную фирновую толщу. Здесь расположена холодная инфильтрационно-режеляционная толща с характерным слоем режеляционного фирна, начиненного прослойками инфильтрационного льда. Непосредственно к этой зоне примыкает теплая инфильтрационно-рекристаллизационная зона, в которой, так же как и в предыдущей, образование льда завершается на глубине десятков метров за счет медленной рекристаллизации. Но здесь такой воды уже значительно больше, и ее хватает на прогрев всего активного слоя до температуры 0° С.
Ниже по леднику расположена инфильтрационная зона, где повторно замерзающая вода заполняет все поры в годовом нестаивающем остатке снега. Летом эта часть ледников превращается в труднопроходимое снежное болото. И, наконец, последняя зона — ледяная — характеризуется почти полным отсутствием фирна, обилием талых вод, частично переходящих в наложенный лед, а частично стекающих вниз но ледниковому языку.
Вполне естественно, что фирновые области ледников располагающихся в разных физико-географических условиях, отличаются и специфическим соотношением вышеперечисленных зон льдообразования. Например, у альпийских ледников лучше всего выражена теплая инфильтрационно-режеляционная зона, тогда как на ледниках Тянь-Шаня, Полярного Урала и некоторых арктических островов ведущим процессом превращения снега в лед является инфильтрация.
Все процессы, ведущие к приросту массы льда, объединяются в понятие аккумуляции. Ее величина в первом приближении исчисляется количеством твердых осадков — снега, поступающего на поверхность ледника. Однако жидкие осадки, например дождевая влага, выпавшая и замерзшая на леднике, тоже, естественно, принимаются в расчет. Кроме того, в определенных условиях важной составляющей аккумуляции оказываются лавины, метелевый перенос снега с окружающих склонов, конденсация влаги из содержащегося в воздухе водяного пара, нарастающие осадки (иней, изморозь) и др. Таким образом, аккумуляция — процесс довольно многообразный.
Не менее сложно и понятие абляции, которая охватывает все процессы, ведущие к сокращению массы льда. Помимо непосредственного таяния, оно включает испарение с поверхности ледника, снос снега и льда ветром и лавинами. На большинстве современных горных ледников среди факторов абляции в количественном отношении выделяется таяние. Чтобы измерить слой стаявшего льда на поверхности ледниковых языков, в нескольких точках забуривают рейки.
Испарение и таяние происходят в теплое время года по всей длине ледника — от области питания до самого конца, но эти процессы выражены по-разному. Понятно, что наибольшие потери несут нижние части ледниковых языков, заходящие в область, где сказывается влияние более высоких температур и иногда жидких осадков, стимулирующих таяние. Резко увеличивается абляция, когда с гор на ледники вторгаются массы теплого воздуха — фёны.