Ледники и айсберги

Представьте себе высокие горные вершины или бескрайние просторы полюсов. Зимой там выпадает очень много снега. А лето такое короткое и холодное, что снег просто не успевает растаять. Он начинает копиться, слой за слоем. Нижние пласты под давлением новых масс спрессовываются, уплотняются и постепенно превращаются в лёд. Так, за сотни, тысячи и даже миллионы лет, рождается удивительное творение природы — ледник. Они настолько уникальны и сложны, что для их изучения появилась целая отдельная наука — гляциология.

Современные ледники — это гигантские хранилища льда. Они занимают около 11 % всей суши Земли. Это огромная площадь — примерно 16,1 млн км²! Неудивительно, что в них скрыт колоссальный запас пресной воды — более 26 млн км³. Цифра трудновообразимая! Это почти 69 % всех запасов пресной воды на планете. Чтобы вы понимали масштаб: этого объёма хватило бы, чтобы покрыть всю Землю осадками на 50 лет вперёд или чтобы заполнить русла всех рек мира на целых сто лет!

Крупнейшие ледники планеты находятся в Гренландии и Антарктиде. Объём льда в Гренландии составляет 2,6 ∙ 10⁶ км³. А в Антарктиде — ещё больше, целых 24,2 ∙ 10⁶ км³. Ледяной панцирь Антарктиды настолько тяжёл, что своей массой буквально вдавил материк вглубь. Если из-за глобального потепления растает гренландский лёд, уровень Мирового океана поднимется на 7 метров. А если исчезнет и антарктический лёд — то уже на 70 метров! Последствия для человечества будут просто катастрофическими.

Чем же так интересны ледники? По сути, горный ледник — это медленная, но мощная ледяная река, которая сползает с горы вниз по склону. Его скорость зависит от многих факторов: массы, уклона поверхности (её называют ледниковым ложем), температуры и даже количества талой воды внутри. Логично, что чем круче склон, теплее лёд и больше его масса, тем быстрее он движется. Скорость эта очень разная: 0,1—50 м/сут.

Процесс образования льда в ледниках тоже очень интересен. Снег попадает на ледник либо прямо с неба, либо его сносят лавины с окружающих склонов. На ровных участках он может лежать очень долго — сотни лет. Под лучами солнца, под действием ветра и оттепелей снежинки теряют свою ажурную форму и превращаются в маленькие округлые зёрна. Когда солнце пригревает, снег подтаивает, вода просачивается вглубь и снова замерзает, увеличивая кристаллы. Этот зернистый, слежавшийся снег, которому больше года, называется фирном.

Зёрна фирна медленно растут, достигая размеров в несколько миллиметров. Понятно, что чем больше возраст фирна, тем больше и размер его зёрен.

По мере их роста воздух из промежутков между зёрнами вытесняется. Когда воздушные прослойки исчезают полностью, зёрна слипаются, образуя фирновый лёд — беловатую, однородную массу. Примерно такой же лёд образуется у нас на тротуарах зимой, если снег не убирать и утаптывать. Только в природе на это уходят не дни, а многие годы. Под давлением толщи фирна нижние его слои превращаются в плотный голубой ледниковый лёд. Чтобы слой фирна толщиной в 50 метров превратился в лёд, нужно около 50 лет. А если толщина фирна меньше, то давления снежной массы не хватает, и плотный лёд не образуется. Такой «несостоявшийся» ледник называют снежником.

Лёд — необычный материал. Он одновременно и хрупок, и пластичен. При этом пластичность льда тем больше, чем выше температура и давление. Если на лёд оказывать постоянную нагрузку, начнётся его пластическая деформация, лёд медленно потечёт. Так толща фирна оказывает давление на ледниковый лёд, и он выползает наружу. Куда потечёт лёд? Естественно, туда, куда его будет увлекать сила гравитации, — вниз по склону. Чем выше крутизна склона, тем меньшее давление требуется, чтобы лёд потёк. На склонах в 40—45° для этого хватит и двухметрового слоя фирна. А вот на пологом склоне с уклоном в несколько градусов для течения льда требуется давление шестидесятиметровой толщи фирна.

Наблюдения за ледниками показали, что движение ледника во многом похоже на ламинарное течение реки. Трение льда о внешние границы и ложе ледника приводит к тому, что скорость движения льда посередине русла выше, чем у краёв, а на поверхности выше, чем у дна. При изгибе русла ледника линия тока, соответствующая максимальной скорости, смещается к дальнему берегу от центра поворота. Наконец, если русло ледника сужается, то скорость его течения увеличивается.

Если поставить на поверхности ледника ровный ряд колышков, то через некоторое время этот ряд изогнётся — это наглядное доказательство того, что разные слои льда движутся с разной скоростью.

Рассмотрим простейшую модель течения ледника. Пусть плита льда с параллельными сторонами и толщиной h лежит на шероховатой плоскости с углом наклона а. Допустим, она не скользит, а движется только за счёт деформации под собственным весом.

Возьмём столбик льда с площадью основания один квадратный метр. Давление на его основание, создаваемое составляющей силы тяжести вдоль склона, будет определяться уравнением:

p = ρgh sin(α).

Это давление уравновешивается силой трения τ, приложенной к основанию столбика льда

τ = р = ρgh sin(α).

Величина силы трения была вычислена по этой формуле для разных ледников при различных значениях толщины льда и угла наклона и оказалась лежащей в пределах 50—150 кПа. Учёные договорились считать, что ледниковый лёд — пластичный материал с пределом текучести τ₀ = 100 кПа. Предел текучести — это максимальное давление, которое материал может выдержать, не начиная течь. Движение начинается, когда давление у основания достигает этого предела. Поэтому мы можем записать следующее соотношение:

ρgh sin(α) = τ₀

Из этой формулы можно найти толщину ледника h, если мы знаем угол наклона α:

h = τ₀ / (ρg sin(α))

Из этого соотношения видно, что на пологих участках ледник будет толще, а на крутых — тоньше, что и подтверждается наблюдениями.

Теперь давайте мысленно отправимся в путешествие вместе с рождённым из снега льдом. Снег превратился в фирн, фирн — в лёд. Но лёд тяжелее и движется быстрее вышележащего фирна, поэтому на их границе он отрывается, образуя гигантскую трещину. Она такая глубокая — до 150 метров, и широкая — до 30 метров, что летом на её дне можно разглядеть скалы. Эта трещина называется бергшрунд.

Дальше ледник продолжает своё движение вниз. Если на его пути встречается крутой уступ, лёд не падает водопадом, как вода, а образует причудливые ледяные пики и колонны — сераки. Они очень красивы, но и крайне опасны для альпинистов своей непредсказуемой неустойчивостью.

Наконец, место, где движение ледника окончательно останавливается, называется фронтальной (или конечной) мореной. Это негостеприимное нагромождение всего, что ледник принёс с собой в своём долгом путешествии: лёд перемешан с обломками горных пород — от мелкой глины и булыжников до гигантских валунов размером в несколько сотен метров! Бывает ещё и донная морена — это материал, который ледник переносит в своих нижних слоях, буквально царапая им своё ложе.

Именно благодаря ледникам на свет появляются айсберги.

Айсберг — это огромная плавучая глыба льда, которая откололась от ледника и возвышается над водой более чем на 5 метров. Некоторые из них по площади больше, чем целые страны!

Главная «фабрика» айсбергов на планете — это ледниковый щит Антарктиды. Вокруг этого континента постоянно дрейфует около 100 тыс. ледяных гор. В Северном полушарии главный поставщик — Гренландия, от которой ежегодно откалывается до 15 тыс. айсбергов.

А теперь — самое интересное: почему же эти гигантские куски льда откалываются? У края шельфового ледника происходит подтаивание, и его толщина уменьшается. Но на некотором удалении от кромки воды происходит обратный процесс — снизу, к леднику, намерзает новый лёд. Это происходит потому, что талая вода опресняет морскую воду под ледником, а пресная вода замерзает легче. В результате профиль ледника становится неоднородным. В месте намерзания выталкивающая архимедова сила становится значительно больше. Из-за этой разницы во льду возникают колоссальные напряжения, которые в итоге и приводят к разлому и отрыву большого участка льда.

Отколовшийся участок льда становится самостоятельным образованием — айсбергом. Какая-то его часть возвышается над водой, а какая-то уходит в глубину.

Давайте найдём соотношение объёмов надводной и подводной частей айсберга. Пусть айсберг имеет объём V. Обозначим объёмы его надводной и подводной частей так: V_надв, V_подв.

Естественно, что полный объём айсберга складывается из объёма его надводной и подводной частей:

V = V_надв + V_подв.

Примем, что плотность льда равна 900 кг/м³. А плотность морской воды — 1025 кг/м³.

Условие равновесия айсберга определяется равенством силы тяжести, действующей на весь айсберг, и силы Архимеда, действующей только на подводную часть:

Выразим из записанного равенства отношение подводной части айсберга к его полному объёму:

Таким образом, видим, что 90 % объёма айсберга находится под поверхностью океана. Если льдина плавает в пресной воде, то объём её надводной части будет ещё меньше — около 8 %.

Подхваченный морскими течениями айсберг начинает своё путешествие по Мировому океану, иногда оказываясь даже на экваторе. Естественно, что айсберг постепенно тает, отдавая миллионы тонн чистейшей пресной воды в океан.

И напоследок — настоящая магия. В морях Южного полушария можно услышать под водой таинственный треск — «звуки Антарктиды». Это ни что иное, как звук раскалывающихся при таянии айсбергов.

Каждый такой треск порождает звуковую волну очень низкой частоты, около 10 Гц. Она почти не затухает и может распространяться в океане на тысячи километров. Поскольку айсбергов много и тают они постоянно, в южных широтах стоит постоянный подводный гул, особенно усиливающийся в летние месяцы.

Кажется удивительным, что звук трескающихся айсбергов может распространяться в океане на тысячи километров. Ведь океан — это стихия, постоянно пребывающая в состоянии волнения. Поэтому звуковые волны должны интенсивно рассеиваться и поглощаться, прежде всего на поверхности и на дне, и быстро терять энергию. Но то, что удивительно нам, давно не удивляет океанологов. Ещё в середине XX века было открыто явление сверхдальнего распространения звука в океане по так называемому подводному звуковому каналу. Это происходит благодаря характерной зависимости скорости звука от глубины: на некоторой глубине скорость звука оказывается минимальной. Она растёт как при погружении за счёт увеличения гидростатического давления, так и при приближении к поверхности за счёт роста температуры воды.

Глубина минимальной скорости звука и есть ось подводного звукового канала. Она соответствует глубине около 1000 метров в тёплых водах и уменьшается до сотен и десятков метров в полярных областях. Звуковая волна низкой частоты, попадая в этот канал, отражается от его границ и распространяется на гигантские расстояния, как по волноводу. В холодных водах у полюсов, где и обитают айсберги, этот канал подходит очень близко к поверхности, поэтому мы и можем услышать эту далёкую ледяную «песню».

А на этом наш с вами урок подошёл к концу. Давайте вспомним его основные моменты. Итак, сегодня мы с вами узнали, как снег в горах и у полюсов превращается в мощные ледники, хранящие основные запасы пресной воды на Земле.