Гідродинаміка льодовиків: Закон Глена та бюджет балансу маси

Потік льодовикової криги як дуже повільного рідини

Лідовий потік – це не статичний блок льоду; під власною вагою лід деформується та тече вниз по схилу протягом багатьох років і десятиліть, подібно до надзвичайно в’язкої рідини, але фізика її потоку має свої особливості. Відношення між напруженням, яке відчуває лід, та швидкістю деформації (напруженням зсуву), визначається законом Глена, розробленим J.W. Glen у 1950-х роках на основі лабораторних експериментів з creep:

έ = A · τ^n де έ – швидкість деформації, τ – напруження зсуву, а n ≈ 3 є емпірично визначеним показником – тобто деформація льоду сильно нелінійна: подвоєння напруження призводить до збільшення швидкості потоку приблизно в 8 разів, а не просто вдвічі. A – це температурно-залежний параметр м’якості; тепліший лід деформується значно легше, ніж холодний, що пояснює різке прискорення течії льодовиків зі зростанням температури.

έ = A · τ^n

Рівновага маси: бюджет льодовика

Розмір льодовика – це поточна баланс між накопиченням (утворення льоду з снігу, переважно в верхніх, холодніших ділянках) та відшаруванням (танення, сублімація та обрив тріщин, переважно на нижньому, теплішому терміналі). Висота, на якій ці два процеси точно компенсуються протягом року, є висотою рівноважного фронту (ВРФ) – вище її льодовик в середньому набирає масу, нижче – втрачає. Льодовик у рівновазі підтримує стабільну ВРФ та стабільне положення терміналя; коли клімат потеплішає, ВРФ підіймається, зменшуючи зону накопичення відносно зони відшарування, і баланс маси льодовика стає негативним.

Чому термін відступу відстає від клімату

Лід потребує років або десятиліть, щоб переміститися з зони накопичення до терміну відступу, тому позиція переднього краю льодовика реагує на зміни клімату із значним часовим запазнюванням — льодовик все ще може просуватися вперед сьогодні завдяки снігопаду, який випадав кілька років тому, навіть якщо поторна маса вже негативна. Саме тому позиція переднього краю поодинці є поганим показником клімату в реальному часі, і саме тому геологорозвідники відстежують торнальну масу безпосередньо (за допомогою стовпців, забитих у лід, та вимірювань гравітації супутників) замість того, щоб покладатися на поточне положення переднього краю.

Як нахил льодовикової брили керує потоком

Закон Глена означає, що швидкість потоку залежить дуже сильно від сили, яка її спричиняє, а ця сила в свою чергу залежить від товщини льодовика та нахилу брили – більш круті брили та товстіші льодовики прискорюють потік. Де лід перетинає посипання у своїй брилі, він пришвидшується та тоншає; де брила згладжується або змінює напрямок, лід скупчується, стає товщим і сповільнюється. Саме тому справжні профілі льовідників рідко є рівними: водоспади, де брила різко посипається, помітно розтріскані та швидкі, а більш рівні ділянки на протилежному боці можуть виглядати майже нерухомими порівняно з ними.

Мораїни як зафіксовані маси балансу

Під час руху льодовика він розколов і зсунув каміння та іншу уламкову породу попереду та поруч із собою. Коли льодик пізніше відступає, це уламок залишається позаду як морайна – пагорб, що позначає колишню межу льодовика. Послідовність вкладених морайн на підлозі долини є ефективним записам минулих рухів та відступів льодовика, кожен пагорб відповідає періоду, коли термінальний край приблизно стабілізувався достатньо довго, щоб накопичити уламки перед повторним відступом. Аналіз послідовностей морайн у поєднанні з датуванням є одним із основних методів, за допомогою яких гляціологи відновлюють кліматичну історію до появи безпосередніх вимірювань.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Glacier Dynamics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.