Dinamika lodowców: prawo przepływu Glena i budżet bilansu masowego

Lód, który przepływa jak bardzo wiscyozny ciecz

Lód nie jest statycznym blokiem lodu — pod wpływem własnej masy się deforma i przepływa po lądzie zgodnie z nachyleniem, podobnie jak bardzo wiscyozna ciecz. Jednak fizyka, która opisuje sposób jego przepływu, jest całkowicie unikatowa. Relacja między naprężeniami doznawanymi przez lód a stawką deformacji nazywa się prawem przepływu Glena, opracowanym w latach 50. XX wieku przez J.W. Glen na podstawie laboratorium testów crepa:

ε = A · τ^n gdzie ε to stawka deformacji, τ to naprężenie skręcające, a n ≈ 3 jest wykładnikiem empirycznie pomiarowym — co oznacza, że deforma lodu jest silnie nieliniowa: podwójenie naprężenia powoduje około osiemkrotny wzrost stawki przepływu, a nie tylko podwójne. A to parametr zależny od temperatury masywności — cieplejszy lód deforma znacznie łatwiej niż zimny lód, co jest powodem dla szybszego przepływania lodowców wraz ze wzrostem temperatury.

έ = A · τ^n

Bilans masowy: budżet lodowca

Rozmiar lodowca wynika z ciągłego bilansu między akumulacją (spadające śnieg, który się kompresuje w lód, głównie na wyższych i chłodniejszych obszarach) a ablacji (rozpuszczanie, sublimacja i calving, głównie na niższych i cieplejszych końcach lodowców). Poziom nadmiaru, na którym akumulacja dokładnie przekracza ablację w ciągu roku, nazywany jest poziomem równowagi (ELA) — powyżej ELA lodowiec zyskuje masę na średnim poziomie, pod nią straci masę na średnim poziomie. Lodowiec w równowadze utrzymuje stały poziom ELA i pozycję końcową; przy przesunięciu się klimatu, ELA wzrasza, co zmniejsza obszar akumulacji w stosunku do obszaru ablacji, co prowadzi do ujemnego bilansu masowego lodowca.

Dlaczego granica zastępcza odchyla się za zmiany klimatu

Lód przepływa przez okres lat do dekad z akumulacyjnej strefy na dół do granicy zastępczej, dlatego pozycja frontu lodowca reaguje na zmiany klimatu ze znacznym opóźnieniem — lodowiec może nadal się rozszerzać dzisiaj ze względu na śnieg upadłej kilka lat temu, nawet gdy bieżący bilans masowy jest już ujemny. To opóźnienie jest powodem dla którego pozycja granicy zastępczej sama w sobie nie jest dobrym indykantem klimatu w czasie rzeczywistym i dlatego glaciolodowcy śledzą bezpośrednio bilans masowy (z udrążeniem szkieletów w lodzie i pomiarów grawitacyjnych satelitarnej) zamiast polegać na tym, gdzie obecnie się znajduje krawędź lądowa.

Jak nachylenie dna kieruje przepływ

Zasada Glena oznacza, że prędkość przepływu zależy niestabilnie od naprężenia sterującego, które skali się z grubością lodu i nachyleniem dna — steeperne dna i gęstszy lód prowadzą do szybszego przepływu. Gdzie geleńka przechodzi przez strefę zwiększającego się nachylenia dna, przyspiesza i się wątłuje; gdzie dna rozszerza się lub obraca, lód tendencji ma się zgromadzić, stać się gęstszy i wolniejszy. To dlatego rzeczywiste profily geleńka są rzadko jednorodne: icefalls, gdzie nachylenie dna zwiększa się ostro, są widocznie pełne kresków i szybko przemieszczające się, podczas gdy płaskie sekcje w górę i dół strumienia mogą wyglądać prawie jak niemotoryjne w porównaniu.

Morajny jako zapis bilansu masy

Gdy lodowca naprzód przesuwa się, wojskowo wlewa kamienie i śmieci przed sobą i obok; gdy later odwrotnie cofa się, te śmieci zostawia jako morajny — grzbiet oznaczający dawną granicę lodowca. Seria zagnieżdżonych morajów na dnie doliny jest wprawnym zapisem przeszłych naprzód i cofnięć lodowca, gdzie każdy grzbiet odpowiada okresowi, gdy brzeg lodowca prawie się utrzymywał na miejscu wystarczająco długo, aby zgromadzić śmieci przed kolejnym cofnięciem. Czytanie serii morajów, wraz z technikami datowania, jest jednym z głównych sposobów, jakim glaciolodowcy odtwarzają historię klimatyczną przed czasem bezpośredniego pomiaru.

Często zadawane pytania