Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица

21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей

20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн

17.06
В металло-карбеноидах чем больше катион щелочного металла, тем стабильнее молекула

16.06
В Старом и Новом Свете птицы сходно реагируют на глобальное потепление






Главная / Библиотека / Избранное версия для печати

Ледяные миры

Евгений Подольский,
Университет Нагоя (Япония)

Посвящается моей семье, Ёуль (Yeoul), Косте и Стасу.

Ледники на Земле и в Солнечной системе

Около десяти процентов суши покрыты ледниками — многолетними массами снега, фирна (от нем. Firn — прошлогодний слежавшийся зернистый снег) и льда, обладающими собственным движением. Эти огромные реки льда, прорезающие долины и стачивающие горы, продавливающие своим весом континенты, хранят 80% запасов пресной воды нашей планеты.

Памир — один из основных центров современного оледенения планеты — недоступный и малоисследованный (Таджикистан; фото автора, 2009)
Памир — один из основных центров современного оледенения планеты — недоступный и малоисследованный (Таджикистан; фото автора, 2009)

Роль ледников в эволюции земного шара и человека колоссальна. Последние 2 млн лет ледниковых эпох стали мощнейшим импульсом развития для приматов. Суровые погодные условия принудили гоминид к борьбе за существование в холодных условиях, жизни в пещерах, появлению и развитию одежды, широкому применению огня. Понизившийся из-за роста ледников уровень моря и осушение множества перешейков способствовали миграции древних людей в Америку, Японию, Малайзию и Австралию.

К крупнейшим очагам современного оледенения относятся:

  • Антарктида — терра инкогнита, открытая лишь 190 лет назад и ставшая рекордсменом абсолютного минимума температур на Земле: –89,4°C (1974 г.); при такой температуре замерзает керосин;
  • Гренландия, обманчиво названная Зеленой землей, — «ледяное сердце» Северного полушария;
  • Канадский Арктический архипелаг и величественные Кордильеры, где находится один из самых живописных и мощных центров оледенения — Аляска, настоящий современный реликт Плейстоцена;
  • самая грандиозная область оледенения Азии — «обитель снегов» Гималаи и Тибет;
  • «крыша мира» Памир;
  • Анды;
  • «небесные горы» Тянь-Шань и «черная осыпь» Каракорум;
  • как ни удивительно, ледники есть даже в Мексике, тропической Африке («сверкающая гора» Килиманджаро, гора Кения и горы Рувензори) и на Новой Гвинее!

Наука, изучающая ледники и другие природные системы, свойства и динамика которых определяются льдом, называется гляциологией (от лат. glacies — лед). «Лед» — это мономинеральная горная порода, встречающаяся в 15 кристаллических модификациях, для которых нет названий, а есть только кодовые номера. Отличаются они разным видом кристаллической симметрии (или формы элементарной ячейки), числом атомов кислорода в ячейке и прочими физическими параметрами. Самая распространенная модификация — гексагональная, но есть и кубическая и тетрагональная и т. д. Все эти модификации твердой фазы воды мы условно и обозначаем одним единственным словом «лед».

Лед и ледники в Солнечной системе встречаются повсеместно: в тени кратеров Меркурия и Луны; в виде мерзлоты и полярных шапок Марса; в ядре Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна; на Европе — спутнике Юпитера, полностью, словно скорлупой, покрытом многокилометровым льдом; на других спутниках Юпитера — Ганимеде и Каллисто; на одной из лун Сатурна — Энцеладе, с самым чистым льдом Солнечной Системы, где из трещин ледяного панциря со сверхзвуковой скоростью вырываются струи водяного пара высотой в сотни километров; возможно, на спутниках Урана — Миранде, Нептуна — Тритоне, Плутона — Хароне; наконец, в кометах. Однако, по стечению астрономических обстоятельств, Земля — уникальное место, где существование воды на поверхности возможно сразу в трех фазах — жидкой, твердой и газообразной.

Дело в том, что лед — очень молодой минерал Земли. Лед — самый последний и самый поверхностный минерал не только по удельному весу: Если выделять температурные стадии дифференциации вещества в процессе становления Земли как изначально газообразного тела, то льдообразование представляет собой последнюю ступень. Именно по этой причине снег и лед на поверхности нашей планеты находятся везде вблизи точки плавления и подвержены малейшим изменениям климата.

Кристаллическая фаза воды — лед. Фото модели: Е. Подольский, 2006
Кристаллическая фаза воды — лед. Фото модели: Е. Подольский, 2006

Но если в температурных условиях Земли из одной фазы в другую переходит вода, то для холодного Марса (с перепадом температур от –140°C до +20°C) вода в основном находится в кристаллической фазе (хотя есть процессы сублимации, ведущие даже к образованию облаков), а гораздо более существенные фазовые переходы испытывает уже не вода, а углекислый газ, выпадая в качестве снега при понижении температуры, или испаряясь при ее повышении (таким образом масса атмосферы Марса меняется от сезона к сезону на 25%).

Рост и таяние ледников

Для возникновения ледника необходимо сочетание климатических условий и рельефа, при которых годовое количество выпавшего снега (с учетом метелей и лавин) будет превышать убыль (абляцию) за счет таяния и испарения. При таких условиях возникает масса из снега, фирна и льда, которая под действием собственного веса начинает перетекать вниз по склону.

Ледник имеет атмосферное осадочное происхождение. Иначе говоря, каждый грамм льда, будь то скромный ледник в Хибинах или гигантский ледниковый купол Антарктиды, был принесен невесомыми снежинками, которые год за годом, тысячелетие за тысячелетием выпадают в холодных областях нашей планеты. Таким образом, ледники — это временная остановка воды между атмосферой и океаном.

Соответственно, если ледники растут, то уровень мирового океана опускается (например, до 120 м во время последнего ледникового периода); если сокращаются и отступают — то море поднимается. Одно из последствий этого — существование на шельфовой зоне Арктики участков реликтовой подводной мерзлоты, покрытой толщей воды. В эпохи оледенений обнажавшийся из-за понижения уровня моря материковый шельф постепенно промерзал. После повторного подъема моря образовавшаяся таким образом вечная мерзлота оказывалась под водой Северного Ледовитого океана, где она продолжает существовать до сих пор благодаря низкой температуре морской воды (–1,8°C).

Если бы все ледники мира растаяли, уровень моря поднялся бы на 64–70 метров. Сейчас ежегодное наступление моря на сушу происходит со скоростью 3,1 мм в год, из них около 2 мм — результат увеличения объема воды за счет теплового расширения, а оставшийся миллиметр — результат интенсивного таяния горных ледников Патагонии, Аляски и Гималаев. В последнее время этот процесс ускоряется, всё больше затрагивая ледники Гренландии и Западной Антарктики, и, по последним оценкам, подъем уровня моря к 2100 году может составить 200 см. Это существенно изменит береговую линию, сотрет с карты мира не один остров и отнимет у сотен миллионов людей в благополучных Нидерландах и бедном Бангладеше, в странах Тихого океана и Карибском бассейне, в других частях Земного шара прибрежные территории общей площадью более 1 млн квадратных километров.

Типы ледников. Айсберги

Гляциологи выделяют следующие основные типы ледников: ледники горных вершин, ледниковые купола и щиты, ледники склонов, долинные ледники, сетчатые ледниковые системы (характерные, например, для Шпицбергена, где лед полностью заполняет долины, и только вершины гор остаются над поверхностью ледника). Кроме того, в качестве продолжения наземных ледников выделяют морские ледники и шельфовые ледники, которые представляют собой плавучие или опирающиеся на дно плиты площадью до нескольких сотен тысяч квадратных километров (крупнейший шельфовый ледник — ледник Росса в Антарктике — занимает 500 тыс. км2, что примерно равно территории Испании).

Корабли Джеймса Росса у основания крупнейшего шельфового ледника Земли, открытого им в 1841 году. Гравюра, Mary Evans Picture Library, London; adapted from Bailey, 1982
Корабли Джеймса Росса у основания крупнейшего шельфового ледника Земли, открытого им в 1841 году. Гравюра, Mary Evans Picture Library, London; adapted from Bailey, 1982

Шельфовые ледники поднимаются и опускаются вместе с приливами и отливами. Время от времени от них откалываются гигантские ледяные острова — так называемые столовые айсберги, толщиной до 500 м. Лишь одна десятая их объема находится над водой, из-за чего движение айсбергов зависит в большей степени от морских течений, а не от ветров и из-за чего айсберги не раз становились причиной гибели судов. После трагедии «Титаника» за айсбергами ведется тщательное наблюдение. Тем не менее катастрофы по вине айсбергов происходят и в наши дни — например, крушение нефтяного танкера Exxon Valdez 24 марта 1989 года у берегов Аляски произошло, когда судно пыталось избежать столкновения с айсбергом.

Малоуспешная попытка Береговой службы США обезопасить судоходный канал у берегов Гренландии (UPI, 1945; adapted from Bailey, 1982)
Малоуспешная попытка Береговой службы США обезопасить судоходный канал у берегов Гренландии (UPI, 1945; adapted from Bailey, 1982)

Самый высокий айсберг, зарегистрированный в Северном полушарии, имел высоту 168 метров. А самый большой из когда-либо описанных столовых айсбергов наблюдали 17 ноября 1956 года с ледокола «Глэйжер» (USS Glacier): его длина составляла 375 км, ширина — более 100 км, а площадь — более 35 тыс. км2 (больше чем Тайвань или остров Кюсю)!

Ледоколы военно-морского флота США тщетно пытаются вытолкнуть айсберг с мореходного пути (Collection of Charles Swithinbank; adapted from Bailey, 1982)
Ледоколы военно-морского флота США тщетно пытаются вытолкнуть айсберг с мореходного пути (Collection of Charles Swithinbank; adapted from Bailey, 1982)

Уже с 1950-х годов всерьез обсуждается коммерческая транспортировка айсбергов в страны, испытывающие нехватку пресной воды. В 1973 году был предложен один из таких проектов — с бюджетом 30 миллионов долларов. Этот проект привлек внимание ученых и инженеров со всего мира; возглавил его саудовский принц Мухаммед аль-Фейсал. Но из-за многочисленных технических проблем и нерешенных вопросов (например, перевернувшийся из-за таяния и смещения центра массы айсберг может, словно спрут, утянуть на дно любой буксирующий его крейсер) реализация идеи откладывается на будущее.

Буксир вспенивает море всей мощностью двигателей, чтобы отклонить айсберг с курса столкновения с нефтеразведовательным судном (Harald Sund for Life, 1981; adapted from Bailey, 1982)
Буксир вспенивает море всей мощностью двигателей, чтобы отклонить айсберг с курса столкновения с нефтеразведовательным судном (Harald Sund for Life, 1981; adapted from Bailey, 1982)

Охомутать несоизмеримый по размеру ни с одним судном планеты айсберг и транспортировать тающий в теплых водах и окутанный туманом ледяной остров через тысячи километров океана — пока не по силам человеку.

Примеры проектов по транспортировке айсбергов. Art by Richard Schlecht; adapted from Bailey, 1982
Примеры проектов по транспортировке айсбергов. Art by Richard Schlecht; adapted from Bailey, 1982

Любопытно, что при таянии лед айсберга шипит, словно газировка («bergy selzer») — в этом можно убедиться в любом полярном институте, если вас угостят бокалом виски с кусочками такого льда. Это древний воздух, сжатый под высоким давлением (до 20 атмосфер), вырывается при таянии из пузырьков. Воздух оказался захвачен во время превращения снега в фирн и лед, после чего был сжат огромным давлением массы ледника. Сохранился рассказ голландского мореплавателя XVI века Виллема Баренца о том, как айсберг, возле которого стояло его судно (у Новой Земли), внезапно со страшным шумом разлетелся на сотни кусков, приведя в ужас всех людей на борту.

Анатомия ледника

Ледник условно делят на две части: верхнюю — область питания, где происходит накопление и превращение снега в фирн и лед, и нижнюю — область абляции, где накопленный за зиму снег стаивает. Линия, разделяющая эти две области, называется границей питания ледника. Новообразованный лед постепенно перетекает из верхней области питания в нижнюю область абляции, где происходит таяние. Таким образом, ледник включен в процесс географического влагообмена между гидросферой и тропосферой.

Ледопад (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Ледопад (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Неровности, уступы, увеличение уклона ледникового ложа изменяют рельеф ледниковой поверхности. В крутых местах, где напряжения во льду крайне высоки, могут возникать ледопады и трещины. Гималайский ледник Чатору (горный район Лагуль, Lahaul) начинается грандиозным ледопадом высотой в 2100 м! Настоящее месиво гигантских колонн и башен льда (так называемых сераков) ледопада буквально невозможно пересечь.

Ледопад (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Ледопад (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Печально известный ледопад на непальском леднике Кумбу (Khumbu) у подножия Эвереста стоил жизни многим альпинистам, пытавшимся пройти через эту дьявольскую поверхность. В 1951 году группа альпинистов во главе с сэром Эдмундом Хиллари во время рекогносцировки поверхности ледника, по которому впоследствии проложили маршрут первого успешного восхождения на Эверест, пересекала этот лес ледяных колонн высотой до 20 метров. Как вспоминал один из участников, внезапный рокот и сильное дрожание поверхности под ногами сильно напугало альпинистов, но, к счастью, обрушения не произошло. Одна из последующих экспедиций, в 1969 году, окончилась трагически: 6 человек были раздавлены под тонами неожиданно рухнувшего льда.

Альпинисты обходят трещину злополучного ледопада на леднике Khumbu во время восхождения на Эверест (Chris Bonington from Bruce Coleman, Ltd., Middlesex, England, 1972; adapted from Bailey, 1982)
Альпинисты обходят трещину злополучного ледопада на леднике Khumbu во время восхождения на Эверест (Chris Bonington from Bruce Coleman, Ltd., Middlesex, England, 1972; adapted from Bailey, 1982)

Глубина трещин в ледниках может превышать 40 метров, а длина — несколько километров. Присыпанные снегом, такие провалы в темноту ледникового тела — смертельная ловушка для альпинистов, снегоходов или даже вездеходов. С течением времени из-за движения льда трещины могут закрываться. Известны случаи, когда неэвакуированные тела людей, провалившихся в трещины, были буквально вморожены в ледник. Так, в 1820 году на склоне Монблана трое проводников были сбиты и брошены в разлом снежной лавиной — только через 43 года их тела были обнаружены вытаявшими рядом с языком ледника в трех километрах от места трагедии.

Слева: Фотография легендарного фотографа XIX века Vittorio Sella, запечатлившая приближение альпинистов к трещине ледника во Французских Альпах (1888, Istituto di Fotografia Alpina, Biella, Italy; adapted from Bailey, 1982). Справа: Гигантские трещины на леднике Федченко (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Слева: Фотография легендарного фотографа XIX века Vittorio Sella, запечатлившая приближение альпинистов к трещине ледника во Французских Альпах (1888, Istituto di Fotografia Alpina, Biella, Italy; adapted from Bailey, 1982). Справа: Гигантские трещины на леднике Федченко (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Талая вода может значительно углублять трещины и превращать их в часть дренажной системы ледника — ледниковые колодцы. Они могут достигать 10 м в диаметре и пронизывать в глубину сотни метров ледникового тела до самого дна.

Моулин — ледниковый колодец на леднике Федченко (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Моулин — ледниковый колодец на леднике Федченко (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Недавно было зарегистрировано, как озеро талой воды на поверхности ледника в Гренландии, длиной 4 км и глубиной 8 метров, исчезло менее чем за полтора часа; при этом расход воды в секунду был больше, чем у Ниагарского водопада. Вся эта вода достигает ледникового ложа и служит смазкой, ускоряющей скольжение льда.

Ручей талой воды на поверхности ледника Федченко в зоне абляции (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Ручей талой воды на поверхности ледника Федченко в зоне абляции (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Скорость движения ледника

Натуралист и альпинист Франц Иосиф Хуги в 1827 году сделал одно из первых измерений скорости движения льда, причем неожиданно для самого себя. Для ночлега на леднике была сооружена хижина; когда Хуги через год вернулся на ледник, он, к своему удивлению, обнаружил, что хижина находится совершенно в другом месте.

Движение ледников обусловлено двумя разными процессами — скольжением ледниковой массы под собственной тяжестью по ложу и вязкопластическим течением (или внутренней деформацией, когда кристаллы льда под действием напряжений меняют форму и смещаются друг относительно друга).

Ледяные кристаллы (поперечный срез обыкновенного льда для коктейлей, снятый при поляризованном свете). Фото: Е. Подольский, 2006; холодная лаборатория, микроскоп Nikon Achr 0.90, цифровая камера Nikon CoolPix 950
Ледяные кристаллы (поперечный срез обыкновенного льда для коктейлей, снятый при поляризованном свете). Фото: Е. Подольский, 2006; холодная лаборатория, микроскоп Nikon Achr 0.90, цифровая камера Nikon CoolPix 950

Скорость движения ледника может составлять от нескольких сантиметров до более чем 10 километров в год. Так, в 1719 году наступление ледников в Альпах происходило столь быстро, что жители были вынуждены обратиться к властям с просьбой принять меры и заставить «чертовых бестий» (цитата) уйти обратно. Жалобы на ледники писали королю и норвежские крестьяне, фермы которых разрушались надвигающимся льдом. Известно, что в 1684 году два норвежских крестьянина предстали пред местным судом за неуплату арендной пошлины. На вопрос, почему они отказываются платить, крестьяне ответили, что их летние пастбища покрыты надвигающимся льдом. Властям, чтобы убедиться в том, что ледники действительно наступают, пришлось производить наблюдения — и в результате у нас теперь есть исторические данные о колебаниях этих ледников!

Самым быстрым ледником Земли считался ледник Колумбия на Аляске (15 километров в год), но совсем недавно на первое место вышел ледник Якобсхавн (Jakobshavn) в Гренландии (см. фантастическое видео его обрушения, представленное на одной из недавних гляциологических конференций). Движение этого ледника можно ощутить, стоя на его поверхности. В 2007 году эта гигантская река льда, шириной 6 километров и толщиной более 300 метров, ежегодно производящая около 35 млрд тонн самых высоких айсбергов в мире, двигалась со скоростью 42,5 метра в день (15,5 километров в год)!

Еще быстрее могут перемещаться пульсирующие ледники, внезапная подвижка которых может достигать 300 метров в сутки!

Скорость движения льда внутри ледниковой толщи неодинаковая. Из-за трения с подстилающей поверхностью она минимальна у ложа ледника и максимальна на поверхности. Это впервые было измерено после того, как в пробуренную в леднике скважину глубиной 130 метров была погружена стальная труба. Измерение ее искривления позволило построить профиль скорости движения льда.

Кроме того, скорость льда в центре ледника выше по сравнению с его окраинными частями. Первым поперечный профиль неравномерного распределения скоростей ледника продемонстрировал швейцарский ученый Жан Луи Агассис в сороковые годы XIX века. Он оставил на леднике рейки, выставив их в виде прямой линии; через год прямая линия превратилась в параболу, направленную вершиной вниз по течению ледника.

В качестве уникального примера, иллюстрирующего движение ледника, можно привести следующий трагический случай. Второго августа 1947 года самолет, следовавший коммерческим рейсом Буэнос-Айрес—Сантьяго, бесследно исчез за 5 минут до посадки. Интенсивные поиски ни к чему не привели. Тайна была раскрыта только полвека спустя: на одном из склонов Анд, на пике Тупунгато (Tupungato, 6800 м), в области таяния ледника стали вытаивать изо льда обломки фюзеляжа и тела пассажиров. Вероятно, в 1947 году, из-за плохой видимости, самолет врезался в склон, спровоцировал лавину и был погребен под ее отложениями в зоне аккумуляции ледника. 50 лет потребовалось на то, чтобы обломки прошли полный цикл вещества ледника.

Божий плуг

Движение ледников разрушает горные породы и переносит гигантское количество минерального материала (так называемая морена) — начиная от отколовшихся скальных глыб и заканчивая мелкой пылью.

Срединная морена ледника Федченко (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Срединная морена ледника Федченко (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Благодаря транспорту моренных отложений было сделано немало удивительных находок: например, по фрагментам перенесенных ледником валунов, содержащих включения меди, были найдены главные месторождения медной руды в Финляндии. В США, в отложениях конечных морен (по которым можно судить о древнем распространении ледников) были обнаружены принесенные ледниками золото (штат Индиана) и даже алмазы весом до 21 карата (штаты Висконсин, Мичиган, Огайо). Это заставило многих геологов направить взор на север, в Канаду, откуда пришел ледник. Там, между озером Верхнее и Гудзоновым заливом, были описаны скалы кимберлита — правда, кимберлитовых трубок ученым так и не удалось найти.

Эрратический валун (огромный блок гранита у озера Комо, Италия). Из H. T. De la Beche, Sections and Views, Illustrative of Geological Phaenomena (London, 1830)
Эрратический валун (огромный блок гранита у озера Комо, Италия). Из H. T. De la Beche, Sections and Views, Illustrative of Geological Phaenomena (London, 1830)

Сама идея о том, что ледники движутся, родилась благодаря спору о происхождении разбросанных по Европе огромных эрратических валунов. Так геологи называют крупные каменные глыбы («блуждающие камни»), совершенно не похожие по минеральному составу на свое окружение («гранитный валун на известняке для тренированных глаз выглядит столь же странно, как и белый медведь на тротуаре», любил повторять один исследователь).

Один из таких валунов (знаменитый «Гром-камень») стал пьедесталом для Медного Всадника в Петербурге. В Швеции известен известняковый валун длиной 850 метров, в Дании — гигантская глыба третичных и меловых глин и песков длиной 4 километра. В Англии, в графстве Хантингдоншир, в 80 км к северу от Лондона, на одной из эрратических плит была даже построена целая деревня!

Гигантский валун на ножке льда, сохранившегося в тени. Унтераарский ледник, Швейцария (Library of Congress; adapted from Bailey, 1982)
Гигантский валун на ножке льда, сохранившегося в тени. Унтераарский ледник, Швейцария (Library of Congress; adapted from Bailey, 1982)

«Выпахивание» ледником твердых коренных пород в Альпах может составлять до 15 мм в год, на Аляске — 20 мм, что сопоставимо с речной эрозией. Эрозионная, транспортирующая и аккумулирующая деятельность ледников накладывает столь колоссальный отпечаток на лик Земли, что Жан-Луи Агассис называл ледники «Божьим плугом». Многие ландшафты планеты представляют собой результат деятельности ледников, которые 20 тысяч лет назад покрывали около 30% земной суши.

Скалы, отполированные ледником; по ориентации борозд можно судить о направление движения прошлого ледника (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Скалы, отполированные ледником; по ориентации борозд можно судить о направление движения прошлого ледника (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Все геологи признают, что именно с ростом, движением и деградацией ледников связаны самые сложные геоморфологические образования на Земле. Возникают такие эрозионные формы рельефа, как кары, похожие на кресла великанов, и ледниковые цирки, троги. Появляются многочисленные моренные формы рельефа нунатаки и эрратические валуны, эскеры и флювиогляциальные отложения. Образуются фьорды, с высотой стен до 1500 метров на Аляске и до 1800 метров в Гренландии и длиной до 220 километров в Норвегии или до 350 километров в Гренландии (Nordvestfjord Scoresby & Sund East cost). Отвесные стенки фьордов облюбовали бейсджамперы (см. бейсджампинг) всего мира. Сумасшедшие высота и уклон позволяют делать затяжные прыжки до 20 секунд свободного падения в пустоту, созданную ледниками.

Динамит и толщина ледника

Толщина горного ледника может составлять десятки или даже сотни метров. Самый крупный горный ледник Евразии — ледник Федченко на Памире (Таджикистан) — имеет длину 77 км и толщину более 900 м.

Ледник Федченко — самый крупный ледник Евразии, 77 км в длину и почти километр в толщину (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)
Ледник Федченко — самый крупный ледник Евразии, 77 км в длину и почти километр в толщину (Памир, Таджикистан; фото автора, 2009)

Абсолютные рекордсмены — ледниковые щиты Гренландии и Антарктиды. Впервые толщина льда в Гренландии была измерена во время экспедиции основоположника теории о континентальном дрифте Альфреда Вегенера в 1929-30 годах. Для этого на поверхности ледяного купола был взорван динамит и определено время, которое требуется эху (упругим колебаниям), отраженному от каменного ложа ледника, чтобы вернуться на поверхность. Зная скорость распространения упругих волн во льду (около 3700 м/с), можно рассчитать толщину льда.

Сегодня основные способы измерения толщины ледников — сейсмическое и радиозондирование. Определено, что максимальная глубина льда в Гренландии составляет порядка 3408 м, в Антарктиде 4776 м (Astrolabe subglacial basin)!

Подледное озеро Восток

В результате сейсморадиолокационного зондирования исследователями было сделано одно из последних географических открытий XX века — легендарное подледниковое озеро Восток.

В абсолютной темноте, под давлением четырехкилометровой толщи льда, находится резервуар воды площадью 17,1 тыс. км2 (почти как Ладожское озеро) и глубиной до 1500 метров — этот водный объект ученые и назвали озером Восток. Своим существованием оно обязано расположению в геологическом разломе и геотермальному нагреву, который, возможно, поддерживает жизнь бактерий. Как и остальные водные объекты Земли, озеро Восток под действием гравитации Луны и Солнца претерпевает приливы и отливы (1–2 см). По этой причине и из-за разности глубин и температур циркулирует, как предполагается, вода в озере.

Аналогичные подледниковые озера были обнаружены в Исландии; в Антарктиде на сегодня известно уже более 280 таких озер, многие из них соединяются подледными каналами. Но озеро Восток — изолированное и самое крупное, из-за чего и представляет наибольший интерес для ученых. Богатая кислородом вода с температурой –2,65°C находится под давлением порядка 350 бар.

Местоположение и объем основных подледных озер Антарктиды (по Smith et al., 2009); цвет соответствует объему озер (км куб.), градиентом черного обозначены скорости движения льда (м/год)
Местоположение и объем основных подледных озер Антарктиды (по Smith et al., 2009); цвет соответствует объему озер (км3), градиентом черного обозначены скорости движения льда (м/год)

Предположение об очень высоком содержании кислорода (до 700–1200 мг/л) в озерной воде основано на следующем рассуждении: измеренная плотность льда на границе перехода фирна в лед составляет около 700–750 кг/м3. Эта относительно низкая величина обусловлена большим количеством пузырьков воздуха. Достигая нижней части ледниковой толщи (где давление составляет порядка 300 бар и любые газы «растворяются» во льду, формируя газовые гидраты) плотность возрастает до 900–950 кг/м3. Это означает, что каждая удельная единица объема, стаивая на дне, приносит как минимум 15% воздуха из каждой удельной единицы объема поверхности (Zotikov, 2006)

Воздух высвобождается и растворяется в воде или, возможно, скапливается под давлением в виде воздушных сифонов. Этот процесс происходил на протяжении 15 миллионов лет; соответственно, при образовании озера огромное количество воздуха вытаяло изо льда. Аналогов воды со столь высокой концентрацией кислорода в природе не существует (максимум в озерах составляет порядка 14 мг/л). Поэтому спектр живых организмов, которые могли бы переносить такие экстремальные условия, сокращается до очень узких рамок oxygenophilic; среди известных науке видов нет ни одного, способного жить в подобных условиях.

Биологи всего мира крайне заинтересованы в получении образцов воды из озера Восток, так как анализ ледяных кернов, полученных с глубины 3667 метров в результате бурения в непосредственной близости от самого озера Восток, показал полное отсутствие каких-либо микроорганизмов, и эти керны для биологов интереса уже не представляют. Но техническое решение вопроса о вскрытии и проникновении в запечатанную более чем на десять миллионов лет экосистему до сих пор не найдено. Дело не только в том, что сейчас в скважину залиты 50 тонн буровой жидкости на основе керосина, предотвращающей закрытие скважины давлением льда и примерзание бура, но и в том, что любой созданный человеком механизм может нарушить биологическое равновесие и загрязнить воду, внеся в нее не существовавшие там ранее микроорганизмы.

Возможно, похожие подледные озера, или даже моря, существуют и на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе, под десятками или даже сотнями километров льда. Именно на эти гипотетические моря астробиологии возлагают наибольшие надежды при поисках внеземной жизни внутри Солнечной системы и уже строят планы, как с помощью ядерной энергии (так называемого криобота NASA) можно будет преодолеть сотни километров льда и проникнуть в водное пространство. (Так, 18 февраля 2009 года NASA и Европейское космическое агентство ESA официально объявили о том, что Европа станет пунктом назначения следующей исторической миссии по исследованию Солнечной системы; прибытие на орбиту запланировано на 2026 год.)

Гляциоизостазия

Колоссальные объемы современных ледниковых щитов (Гренландия — 2,9 млн км3, Антарктида — 24,7 млн км3) на сотни и тысячи метров продавливают своей массой литосферу в полужидкую астеносферу (это верхняя, наименее вязкая часть земной мантии). В результате некоторые части Гренландии находятся более чем на 300 м ниже уровня моря, а Антарктиды — на 2555 м (Bentley Subglacial Trench)! По сути дела, континентальные ложа Антарктиды и Гренландии представляют собой не единые массивы, а огромные архипелаги островов.

После исчезновения ледника начинается так называемое гляциоизостатическое поднятие, обусловленное простым принципом плавучести, описанным Архимедом: полегчавшие литосферные плиты медленно всплывают на поверхность. Например, часть Канады или Скандинавский полуостров, которые были покрыты ледниковым щитом более 10 тысяч лет назад, до сих пор продолжают испытывать изостатическое поднятие со скоростью до 11 мм в год (известно, что даже эскимосы обратили внимание на этот феномен и спорили о том, поднимается ли это земля или же опускается море). Предполагается, что если весь лед Гренландии стает, то остров поднимется примерно на 600 метров.

Сложно найти обитаемую территорию, более подверженную гляциоизостатическому поднятию, чем острова Replot Skerry Guard в Ботническом заливе. За последние двести лет, в течение которых острова поднимались из-под воды примерно на 9 мм в год, площадь суши увеличилась здесь на 35%. Жители островов собираются раз в 50 лет и радостно делят новые земельные участки.

Гравитация и лед

Еще несколько лет назад, когда я заканчивал университет, вопрос о масс-балансе Антарктиды и Гренландии в условиях глобального потепления был неоднозначен. Уменьшается или возрастает объем этих гигантских ледниковых куполов, определить было очень сложно. Высказывались гипотезы о том, что, возможно, потепление приносит большее количество осадков, и в результате ледники не уменьшаются, а растут. Данные, полученные при помощи спутников GRACE, запущенных NASA в 2002 году, прояснили ситуацию и опровергли эти идеи.

Чем больше масса, тем больше и гравитация. Поскольку поверхность Земного шара неоднородна и включает гигантские массивы гор, просторные океаны, пустыни и т. д., гравитационное поле Земли также неоднородно. Эту гравитационную аномалию и ее изменение со временем и измеряют два спутника — один следует за другим и регистрирует относительное отклонение траектории при пролете над объектами различных масс. Например, грубо говоря, при пролете над Антарктидой траектория спутника будет немного ближе к Земле, а над океаном — наоборот, дальше.

Многолетние наблюдения пролетов в одном и том же месте позволяют по изменению гравитации судить о том, как изменилась масса. Результаты показали, что объем ледников Гренландии ежегодно сокращается примерно на 248 км3, ледников Антарктиды — на 152 км3. Кстати говоря, по картам, составленным с помощью спутников GRACE, зафиксирован не только процесс сокращения объема ледников, но и вышеупомянутый процесс гляциоизостатического поднятия континентальных плит.

Изменения гравитации в Северной Америке и Гренландии с 2003-го по 2007 гг., согласно данным GRACE, в связи с интенсивным таянием ледников в Гренландии и на Аляске (голубой цвет), и гляциоизостатическим поднятием (красный), следующим за таянием древнего Лаврентийского ледового щита (по Heki, 2008)
Изменения гравитации в Северной Америке и Гренландии с 2003-го по 2007 гг., согласно данным GRACE, в связи с интенсивным таянием ледников в Гренландии и на Аляске (голубой цвет), и гляциоизостатическим поднятием (красный), следующим за таянием древнего Лаврентийского ледового щита (по Heki, 2008)

Например, для центральной части Канады из-за гляциоизостатического поднятия зафиксировано увеличение массы (или гравитации), а для соседней Гренландии — уменьшение, из-за интенсивного таяния ледников.

Планетарное значение ледников

По словам академика Котлякова, «развитие географической среды на всей Земле определяется балансом тепла и влаги, который в большой степени зависит от особенностей распределения и преобразования льда. На превращение воды из твердого состояния в жидкое требуется огромное количество энергии. В то же время, превращение воды в лед сопровождается выделением энергии (примерно 35% внешнего теплооборота Земли)». Весеннее таяние льда и снега охлаждает землю, не дает ей быстро прогреться; образование льда зимой — греет, не дает быстро остыть. Если бы льда не было, то перепады температур на Земле были бы гораздо больше, летняя жара — сильнее, морозы — суровее.

Учитывая сезонный снежный и ледяной покровы, можно считать, что снегом и льдом занято от 30% до 50% поверхности Земли. Важнейшее значение льда для климата планеты связано с его высокой отражательной способностью — 40% (для снега, покрывающего ледники — 95%), благодаря чему происходит существенное выхолаживание поверхности на огромных территориях. То есть ледники — это не только бесценные фонды пресной воды, но и источники сильного охлаждения Земли.

Интересными последствиями сокращения массы оледенения Гренландии и Антарктиды стали ослабление гравитационной силы, притягивающей огромные массы океанической воды, и изменение угла наклона земной оси. Первое является простым следствием закона гравитации: чем меньше масса, тем меньше и притяжение; второе — тем, что ледяной щит Гренландии нагружает земной шар несимметрично, и это влияет на вращение Земли: изменение этой массы сказывается на приспособлении планеты к новой симметрии массы, из-за чего земная ось ежегодно смещается (до 6 см в год).

Первая догадка о гравитационном влиянии массы оледенения на уровень моря была сделана французским математиком Жозефом Адемаром (Joseph Alphonse Adhemar), 1797–1862 (он же был первым ученым, указавшим на связь ледниковых эпох и астрономических факторов; после него теорию разрабатывали Кролл (см. James Croll) и Миланкович). Адемар пытался оценить толщину льда в Антарктиде, сравнивая глубины Северного Ледовитого и Южного океанов. Его идея сводилась к тому, что глубина Южного океана намного превышает глубину Северного Ледовитого благодаря сильному притяжению водных масс гигантским гравитационным полем ледяной шапки Антарктиды. По его расчетам, для поддержания столь сильной разницы между уровнем воды севера и юга толщина ледяного покрова Антарктиды должна была составлять 90 км.

Сегодня ясно, что все эти предположения неверны, за исключением того, что феномен всё-таки имеет место, но с меньшей магнитудой — причем его эффект может радиально распространяться до 2000 км. Последствия этого эффекта заключаются в том, что поднятие уровня мирового океана в результате таяния ледников будет неравномерным (хотя ныне существующие модели ошибочно предполагают равномерное распределение). В итоге, в некоторых береговых зонах уровень моря поднимется на 5–30% выше средней величины (северо-восточная часть Тихого и южная часть Индийского океанов), а в некоторых — ниже (Южная Америка, западные, южные и восточные берега Евразии) (Mitrovica et al., 2009).

Замороженные тысячелетия — революция в палеоклиматологии

24 мая 1954 года в 4 часа утра датский палеоклиматолог Вилли Дансгор (Willi Dansgaard) мчался на велосипеде по безлюдным улицам на центральный почтамт с огромным конвертом, обклеенным 35 марками и адресованным в редакцию научного издания Geochimica et Cosmochimica Acta. В конверте находилась рукопись статьи, которую он спешил как можно скорее опубликовать. Его осенила фантастическая идея, которая впоследствии произведет настоящую революцию в науках о климате древних эпох и которую он будет развивать всю свою жизнь.

Вилли Дансгор с ледяным керном, Гренландия, 1973 (по Dansgaard, 2004)
Вилли Дансгор с ледяным керном, Гренландия, 1973 (по Dansgaard, 2004)

Исследования Дансгора показали, что по количеству тяжелых изотопов в осадках можно определить температуру, при которой они были сформированы. И он подумал: а что нам, собственно, мешает определить температуру прошлых лет, просто взяв и проанализировав химический состав воды того времени? Ничего! Следующий логичный вопрос: где взять древнюю воду? В ледниковом льде! Где взять древний ледниковый лед? В Гренландии!

Эта потрясающая идея родилась за несколько лет до того, как была разработана технология глубинного бурения ледников. Когда же технологический вопрос был решен, произошло удивительное: ученые открыли невероятный способ путешествия в прошлое Земли. С каждым сантиметром пробуренного льда лезвия их буров стали погружаться всё глубже и глубже в палеоисторию, открывая всё более древние тайны климата. Каждый извлеченный из скважины ледяной керн был капсулой времени.

Примеры изменения структуры ледяных кернов с глубиной, NorthGRIP, Гренландия. Размер каждой секции: длина 1,65 м, ширина 8–9 см (по Svensson et al., 2005)
Примеры изменения структуры ледяных кернов с глубиной, NorthGRIP, Гренландия. Размер каждой секции: длина 1,65 м, ширина 8–9 см. Представленные глубины (за доп. информацией обращайтесь к первоисточнику): (a) 1354,65–1356,30 м; (b) 504,80–1506,45 м; (c) 1750,65–1752,30 м; (d) 1836,45–1838,10 м; (e) 2534,40–2536,05 м; (f) 2537,70–2539,35 м; (g) 2651,55–2653,20 м; (h) 2899,05–2900,70 м; (i) 3017,30–3018,95 м (по Svensson et al., 2005)

Расшифровав тайнопись, написанную иероглифами целого множества химических элементов и частиц, спорами, пыльцой и пузырьками древнего воздуха возрастом в сотни тысяч лет, можно получить бесценную информацию о безвозвратно ушедших тысячелетиях, мирах, климатах и явлениях.

Машина времени глубиной 4000 м

Возраст старейшего антарктического льда с максимальных глубин (более 3500 метров), поиски которого до сих пор продолжаются, оценивается примерно в полтора миллиона лет. Химический анализ этих образцов позволяет получить представление о древнем климате Земли, весть о котором принесли и сохранили в виде химических элементов невесомые снежинки, сотни тысяч лет назад упавшие с небес.

Это похоже на историю путешествия барона Мюнхаузена по России. Во время охоты где-то в Сибири был жуткий мороз, и барон, пытаясь созвать друзей, протрубил в рожок. Но безуспешно, поскольку звук замерз в рожке и разморозился только на следующее утро на солнце. Примерно то же самое происходит сегодня в холодных лабораториях мира под электронными туннельными микроскопами и масс-спектрометрами. Ледяные керны из Гренландии и Антарктиды — это многокилометровые машины времени, уходящие в глубь веков и тысячелетий. Самой глубокой по сей день остается легендарная скважина, пробуренная под станцией Восток (3677 метров). Благодаря ей впервые была показана связь между изменениями температуры и содержанием углекислого газа в атмосфере за последние 400 тысяч лет и обнаружен сверхдлительный анабиоз микробов.

Антарктический ледяной керн с глубины 3200 м возрастом порядка 800 000 лет, Dome Concordia (фото J. Schwander, University of Bern) © Музей естественной истории, Невшатель
Антарктический ледяной керн с глубины 3200 м возрастом порядка 800 000 лет, Dome Concordia (фото J. Schwander, University of Bern) © Музей естественной истории, Невшатель

Детальные палеореконструкции температуры воздуха строятся на основе анализа изотопного состава кернов — а именно, процентного содержания тяжелого изотопа кислорода 18O (его среднее содержание в природе — около 0,2% от всех атомов кислорода). Молекулы воды, содержащие этот изотоп кислорода, тяжелее испаряются и легче конденсируются. Поэтому, например, в водяном паре над поверхностью моря содержание 18O ниже, чем в морской воде. И наоборот, в конденсации на поверхности формирующихся в облаках снежных кристаллов охотнее принимают участие молекулы воды, содержащие 18O, благодаря чему их содержание в осадках выше, чем в водяном паре, из которого осадки формируются.

Чем ниже температура формирования осадков, тем сильнее проявляется данный эффект, то есть тем больше в них 18O. Поэтому, оценив изотопный состав снега или льда, можно оценить и температуру, при которой формировались осадки.

Среднесуточный ход температуры (черная кривая) и вариация δкислорода-18 в осадках (серые точки) за один сезон (2.2003–1.2004), Dome Fuji, Антарктида (по Fujita and Abe, 2006)
Среднесуточный ход температуры (черная кривая) и вариация δ18O в осадках (серые точки) за один сезон (2.2003–1.2004), Dome Fuji, Антарктида (по Fujita and Abe, 2006). δ18O (‰) — отклонение концентрации тяжелой изотопной состовляющей воды δ(H2O18) от международного стандарта (SMOW) (см. Dansgaard, 2004)

И далее, используя известные высотные профили температур, оценить, какой была приземная температура воздуха сотни тысяч лет назад, когда снежинка только упала на антарктический купол, чтобы превратиться в лед, который будет извлечен в наши дни с глубины в несколько километров во время бурения.

Вариация температуры относительно сегодняшней за последние 800 тыс. лет по ледяным кернам со станции Восток и Dome C (EPICA) (по Rapp, 2009)
Вариация температуры относительно сегодняшней за последние 800 тыс. лет по ледяным кернам со станции Восток и Dome C (EPICA) (по Rapp, 2009)

Ежегодно выпадающий снег бережно сохраняет на лепестках снежинок не только информацию о температуре воздуха. Количество параметров, измеряемых при лабораторном анализе, в настоящее время огромно. В крошечных кристаллах льда фиксируются сигналы вулканических извержений, ядерные испытания, Чернобыльская катастрофа, содержание антропогенного свинца, пылевые бури и т. д.

Примеры изменения различных палеоклиматических химических сигналов во льду с глубиной (по Dansgaard, 2004)
Примеры изменения различных палеоклиматических химических сигналов во льду с глубиной (по Dansgaard, 2004). а) Сезонные колебания δ18O (черным отмечен летний сезон) позволяющие датирование кернов (секция с глубин 405–420 м, ст. Milcent, Гренландия). б) Серым показана удельная β-радиоактивность; пик после 1962 года соответствует большему количеству ядерных испытний данного периода (поверхностная секция керна до глубины 16 м, ст. Crĕte, Гренландия, 1974). в) Изменение средней кислотности годичных слоев позволяет судить о вулканической активности северного полушария, с 550 г. н.э. по 1960-е (ст. Crĕte, Гренландия)

По количеству трития (3H) и углерода-14 (14C) можно датировать возраст льда. Оба эти метода были элегантно продемонстрированы на старинных винах — годы на этикетках прекрасно соответствуют датировкам, рассчитанным по анализам. Вот только дорогое это удовольствие, и вина извести на анализы приходится немало...

Информацию об истории солнечной активности можно оценить количественно по содержанию нитратов (NO3) в ледниковом льде. Тяжелые молекулы нитратов образуются из NO в верхних слоях атмосферы под воздействием ионизирующией космической радиации (протоны вспышек на Солнце, галактическое излучение) в результате цепи преобразований оксида азота (N2O), поступающего в атмосферу из почвы, азотных удобрении и продуктов сгорания топлива (N2O + O → 2NO). После формирования гидратированный анион выпадает с осадками, часть которых оказывается в итоге погребенной в леднике вместе с очередным снегопадом.

Изотопы берилия-10 (10Be) позволяют судить об интенсивности космических лучей глубокого космоса, бомбардирующих Землю, и изменениях магнитного поля нашей планеты.

Об изменение состава атмосферы за последние сотни тысяч лет рассказали маленькие пузырьки во льду, словно бутылки, брошенные в океан истории, сохранившие для нас образцы древнего воздуха. Они показали, что за последние 400 тысяч лет содержание углекислого газа (СО2) и метана (СН4) в атмосфере сегодня самое высокое.

Сегодня в лабораториях хранятся уже тысячи метров ледяных кернов для будущих анализов. Только в Гренландии и Антарктиде (т. е. не считая горных ледников) в общей сложности было пробурено и извлечено около 30 км ледяных кернов!

Теория ледниковых эпох

Начало современной гляциологии положила появившаяся в первой половине XIX века теория ледниковых эпох. Идея о том, что в прошлом ледники распространялись на сотни и тысячи километров на юг, раньше казалась немыслимой. Как писал один из первых гляциологов России Петр Кропоткин (да, тот самый), «в то время вера в ледяной покров, достигавший Европы, считалась непозволительной ересью...».

Жан Луи Агассис, пионер гляциологических исследованиий. Ч. Ф. Игуэль, 1887, мрамор. © Музей естественной истории, Невшатель
Жан Луи Агассис, пионер гляциологических исследованиий. Ч. Ф. Игуэль, 1887, мрамор. © Музей естественной истории, Невшатель

Основоположником и главным защитником ледниковой теории стал Жан Луи Агассис. В 1839 году он писал: «Развитие этих огромных ледниковых щитов должно было привести к разрушению всей органической жизни на поверхности. Земли Европы, прежде покрытые тропической растительностью и населенные стадами слонов, гиппопотамов и гигантских плотоядных, оказались погребены под разросшимся льдом, покрывающим равнины, озера, моря и горные плато. <...> Осталось лишь молчание смерти... Источники пересохли, реки застыли, и лучи солнца, поднимающегося над замерзшими берегами... встречали лишь только шепот северных ветров и рокот трещин, открывающихся посреди поверхности гигантского океана льда

Большинство геологов того времени, мало знакомые со Швейцарией и горами, игнорировали теорию и были не в состоянии даже поверить в пластичность льда, не говоря уже о том, чтобы представить мощность ледниковых толщ, описываемых Агассисом. Так продолжалось до тех пор, пока первая научная экспедиция в Гренландию (1853–55 гг.) под руководством Илайши Кента Кейна не доложила о полном покровном оледенении острова («океан льда бесконечных размеров»).

Признание теории ледниковых эпох имело невероятное влияние на развитие современного естествознания. Следующим ключевым вопросом стала причина смены ледниковых периодов и межледниковий. В начале XX века сербский математик и инженер Милутин Миланкович разработал математическую теорию, описывающую зависимость изменения климата от изменения орбитальных параметров планеты, и всё свое время посвятил расчетам для доказательства справедливости своей теории, а именно — определению циклического изменения величины поступающей на Землю солнечной радиации (так называемой инсоляции). Земля, кружащаяся в пустоте, находится в гравитационной паутине сложного взаимодействия между всеми объектами солнечной системы. В результате орбитальных циклических изменений (эксцентриситета земной орбиты, прецессии и нутации наклона земной оси) количество поступающей на Землю солнечной энергии меняется. Миланкович нашел следующие циклы: 100 тыс. лет, 41 тыс. лет и 21 тыс. лет.

К сожалению, сам ученый не дожил до дня, когда его прозрение было элегантно и безупречно доказано палеоокеанографом Джоном Имбри (John Imbrie). Имбри оценил изменение температуры прошлого, изучив керны сo дна Индийского океана. Анализ базировался на следующем феномене: различные виды планктона предпочитают разные, строго определенные температуры. Ежегодно скелеты этих организмов оседают на океаническом дне. Подняв со дна этот слоистый пирог и определив виды, можно судить о том, как изменялась температура. Определенные таким способом вариации палеотемператур удивительным образом совпали с циклами Миланковича.

Сегодня известно, что холодные ледниковые эры сменялись теплыми межледниковьями. Полное оледенение земного шара (по так называемой теории «снежного кома») предположительно имело место 800–630 млн лет назад. Последнее оледенение четвертичного периода закончилось 10 тыс. лет назад.

Ледниковые купола Антарктиды и Гренландии — реликты прошлых оледенений; исчезнув сейчас, они не смогут восстановиться. В периоды оледенений континентальные ледниковые щиты покрывали до 30% суши земного шара. Так, 150 тыс. лет назад толщина ледникового льда над Москвой составляла порядка километра, а над Канадой — около 4 км!

Эра, в которой сейчас живет и развивается человеческая цивилизация, называется ледниковая эпоха, период межледниковья. Согласно расчетам, сделанным на основании орбитальной теории климата Миланковича, следующее оледенение наступит через 20 тысяч лет. Но остается вопросом, сможет ли орбитальный фактор пересилить антропогенный. Дело в том, что без естественного парникового эффекта наша планета имела бы среднюю температуру –6°C, вместо сегодняшней +15°C. То есть разница составляет 21°C. Парниковый эффект существовал всегда, но деятельность человека значительно усиливает этот эффект. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере — самое высокое за последние 800 тысяч лет — 0,038% (тогда как предыдущие максимумы не превышали 0,03%).

Сегодня ледники почти по всему миру (с некоторыми исключениями) стремительно сокращаются; то же самое касается морского льда, вечной мерзлоты и снежного покрова. Согласно оценкам, половина объема горного оледенения мира исчезнет к 2100 году. Около 1,5–2 млрд человек, населяющих различные страны Азии, Европы и Америки, могут столкнуться с тем, что реки, питаемые талыми водами ледников, пересохнут. В то же время поднявшийся уровень моря отнимет у людей их землю в странах Тихого и Индийского океанов, в Карибском бассейне и в Европе.

Гнев титанов — ледниковые катастрофы

Усиление техногенного воздействия на климат планеты может увеличить вероятность возникновения стихийных бедствий, связанных с ледниками. Громады льда обладают гигантской потенциальной энергией, реализация которой может иметь чудовищные последствия. Какое-то время назад в интернете циркулировала видеозапись обрушения небольшой колонны льда в воду и последующей волны, смывшей группу туристов с ближайших скал. В Гренландии наблюдались подобные волны высотой 30 метров и длиной 300 метров.

Ледниковая катастрофа, произошедшая в Северной Осетии 20 сентября 2002 года, была зафиксирована на всех сейсмометрах Кавказа. Обрушение ледника Колка спровоцировало гигантский ледниковый обвал — 100 млн м3 льда, камней и воды пронеслись по Кармадонскому ущелью со скоростью 180 км в час. Заплески селя сорвали рыхлые отложения бортов долины местами высотой до 140 метров. Погибли 125 человек.

Одной из самых страшных ледниковых катастроф мира стало обрушение северного склона горы Уаскаран в Перу в 1970 году. Землетрясение магнитудой 7,7 баллов инициировало лавину в миллионы тонн снега, льда и камней (50 млн м3). Обвал остановился только через 16 километров; два города, погребенные под обломками, превратились в братскую могилу для 20 тысяч человек.

Траектории движения ледовых лавин Nevados Huascarán 1962 и 1970, Перу (по UNEP’s DEWA/GRID-Europe, Geneva, Switzerland)
Траектории движения ледовых лавин Nevados Huascarán 1962 и 1970, Перу (по UNEP’s DEWA/GRID-Europe, Geneva, Switzerland)

Другой тип опасностей, исходящих от ледников, — это прорыв подпруженных ледниковых озер, возникающих между тающим ледником и конечной мореной. Высота конечных морен может достигать 100 м, создавая огромный потенциал для образования озер и их последующего прорыва.

Потенциально опасное подпруженное моренным валом приледниковое озеро Tsho Rolpa в Непале, 1994 (объем: 76,6 млн куб. м, площадь: 1,5 кв. км, высота моренного вала: 120 м). Photo is the courtesy by N. Takeuchi, Graduate School of Science, Chiba University
Потенциально опасное подпруженное моренным валом приледниковое озеро Tsho Rolpa в Непале, 1994 (объем: 76,6 млн м3, площадь: 1,5 км2, высота моренного вала: 120 м). Photo is the courtesy by N. Takeuchi, Graduate School of Science, Chiba University

В 1555 году прорыв озера в Непале покрыл отложениями территорию площадью около 450 км2, причем местами толщина этих отложений достигала 60 м (высота 20-этажного дома)! В 1941 году интенсивное таяние ледников Перу способствовало росту подпруженных озер. Прорыв одного из них погубил 6000 человек. В 1963 году в результате подвижки пульсирующего ледника Медвежий на Памире возникло озеро глубиной 80 метров. Когда ледяная перемычка была прорвана, вниз по долине устремился разрушительный поток воды и последующий сель, разрушивший электростанцию и множество домов.

Самый чудовищный прорыв ледникового озера произошел через Гудзонов пролив в море Лабрадор около 12 900 лет назад. Прорыв озера Агассис, по площади превышавшего Каспий, вызвал аномально быстрое (за 10 лет) похолодание климата Северной Атлантики (на 5°C на территории Англии), известное как Ранний Дриас (см. Younger Dryas) и обнаруженное при анализе ледяных кернов Гренландии. Огромное количество пресной воды нарушило термохалинную циркуляцию Атлантического океана, что заблокировало перенос тепла течением из низких широт. Сегодня подобного скачкообразного процесса опасаются в связи с глобальным потеплением, опресняющем воды Северной Атлантики.

В наши дни, в связи с ускорившимся таянием ледников мира, увеличивается размер подпруженных озер и, соответственно, растет риск их прорыва.

Рост площади приледниковых подпруженных озер на северном (слева) и южном (справа) склонах Гималайского хребта (по Komori, 2008)
Рост площади приледниковых подпруженных озер на северном (слева) и южном (справа) склонах Гималайского хребта (по Komori, 2008)

В одних только Гималаях, 95% ледников которых стремительно тают, потенциально опасных озер насчитывается порядка 340. В 1994 году в Бутане 10 млн кубических метров воды, вылившись из одного из таких озер, проделали с огромной скоростью путь в 80 километров, убив 21 человека.

Согласно прогнозам, прорыв ледниковых озер может стать ежегодным бедствием. Миллионы людей в Пакистане, Индии, Непале, Бутане и Тибете не только столкнутся с неизбежным вопросом сокращения водных ресурсов в связи с исчезновением ледников, но и окажутся лицом к лицу со смертельной опасностью прорыва озер. Гидроэлектростанции, селения, инфраструктура могут быть разрушены в одно мгновение страшными селями.

Серия снимков, демонстрирующая интенсивное отступание непальского ледника AX010, Shürong region (27°42’N, 86°34’E). (a) 30 May 1978, (b) 2 Nov. 1989, (c) 27 Oct. 1998, (d) 21 Aug. 2004 (Photos by Y. Ageta, T. Kadota, K. Fujita, T. Aoki are the courtesy of the Cryosphere Research Laboratory, Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University)
Серия снимков, демонстрирующая интенсивное отступание непальского ледника AX010, Shürong region (27°42'N, 86°34'E). (a) 30 May 1978, (b) 2 Nov. 1989, (c) 27 Oct. 1998, (d) 21 Aug. 2004 (Photos by Y. Ageta, T. Kadota, K. Fujita, T. Aoki are the courtesy of the Cryosphere Research Laboratory, Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University)

Еще один вид ледниковых катастроф — лахары, возникающие в результате извержений вулканов, покрытых ледяными шапками. Встреча льда и лавы порождает гигантские вулканогенные грязевые сели, типичные для страны «огня и льда» Исландии, для Камчатки, Аляски и имевшие место даже на Эльбрусе. Лахары могут достигать чудовищных размеров, будучи самыми крупными среди всех типов селей: их длина может достигать 300 км, а объем — 500 млн м3.

Ночью 13 ноября 1985 года жители колумбийского города Армеро (Armero) проснулись от сумасшедшего шума: через их город, смывая все дома и конструкции на своем пути, пронесся вулканический сель — его бурлящая жижа унесла жизни 30 тысяч человек. Другой трагический случай произошел роковым рождественским вечером 1953 года в Новой Зеландии — прорыв озера из оледенелого кратера вулкана спровоцировал лахар, который смыл железнодорожный мост буквально перед самым поездом. Локомотив и пять вагонов со 151 пассажиром нырнули и навсегда исчезли в стремительном потоке.

Кроме того, вулканы могут просто уничтожать ледники — например, чудовищное извержение североамериканского вулкана Сент-Хеленс (Saint Helens) снесло 400 метров высоты горы вместе с 70% объема ледников.

Люди льда

Суровые условия, в которых приходится работать гляциологам, —пожалуй, одни из самых трудных, с которыми только сталкиваются современные ученые. Большая часть полевых наблюдений подразумевает работу в холодных труднодоступных и удаленных частях земного шара, с жесткой солнечной радиацией и недостаточным количеством кислорода. Кроме того, гляциология зачастую сочетает альпинизм с наукой, делая тем самым профессию смертельно опасной.

Базовый лагерь экспедиции на ледник Федченко, Памир; высота примерно 5000 м над уровнем моря; под палатками около 900 м льда (фото автора, 2009)
Базовый лагерь экспедиции на ледник Федченко, Памир; высота примерно 5000 м над уровнем моря; под палатками около 900 м льда (фото автора, 2009)

Отморожения знакомы многим гляциологам, из-за чего, например, у бывшего профессора моего института ампутированы пальцы на руке и ноге. Даже в комфортной лаборатории температура может опускаться до –50°C. В полярных районах вездеходы и снегоходы иногда проваливаются в 30–40-метровые трещины, жесточайшие метели зачастую делают высокогорные рабочие будни исследователей настоящим адом и уносят ежегодно не одну жизнь. Это работа для сильных и выносливых людей, искренне преданных своему делу и бесконечной красоте гор и полюсов.

Использованная литература:

  • Adhemar J. A., 1842. Revolutions of the Sea. Deluges Periodiques, Paris.
  • Bailey R. H., 1982. Glacier. Planet Earth. Time-Life Books, Alexandria, Virginia, USA, 176 p.
  • Clark S., 2007. The Sun Kings: The Unexpected Tragedy of Richard Carrington and the Tale of How Modern Astronomy Began. Princeton University Press, 224 p.
  • Dansgaard W., 2004. Frozen Annals — Greenland Ice Sheet Research. The Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, 124 p.
  • EPICA community members, 2004. Eight glacial cycles from an Antarctic ice core. Nаture, 429 (10 June 2004), 623–628.
  • Fujita, K., and O. Abe. 2006. Stable isotopes in daily precipitation at Dome Fuji, East Antarctica, Geophys. Res. Lett., 33, L18503, doi:10.1029/2006GL026936.
  • GRACE (the Gravity Recovery and Climate Experiment).
  • Hambrey M. and Alean J., 2004, Glaciers (2nd edition), Cambridge University Press, UK, 376 p.
  • Heki, K. 2008. Changing earth as shown by gravity (PDF, 221 Кб). Littera Populi — Hokkaido University's public relations magazine, June 2008, 34, 26–27.
  • Glacial pace picks up // In the Field (The Nature reporters' blog from conferences and events).
  • Imbrie J., and Imbrie K. P., 1986. Ice Ages: Solving the Mystery. Cambridge, Harvard University Press, 224 p.
  • IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor and H. L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 p.
  • Kaufman S. and Libby W. L., 1954. The Natural Distribution of Tritium // Physical Review, 93, No. 6, (15 March 1954), p. 1337–1344.
  • Komori, J. 2008. Recent expansions of glacial lakes in the Bhutan Himalayas. Quaternary International, 184, 177–186.
  • Lynas M., 2008. Six Degrees: Our Future on a Hotter Planet // National Geographic, 336 p.
  • Mitrovica, J. X., Gomez, N. and P. U. Clark, 2009. The Sea-Level Fingerprint of West Antarctic Collapse // Science. Vol. 323. No. 5915 (6 February 2009) p. 753. DOI: 10.1126/science.1166510.
  • Pfeffer W. T., Harper J. T., O’Neel S., 2008. Kinematic constraints on glacier contributions to 21st-century sea level rise. Science, 321 (5 September 2008), p. 1340–1343.
  • Prockter L. M., 2005. Ice in the Solar System. Johns Hopkins APL Technical Digest. Volume 26. Number 2 (2005), p. 175–178.
  • Rampino M. R., Self S., Fairbridge R. W., 1979. Can rapid climatic change cause volcanic eruptions? // Science, 206 (16 November 1979), no. 4420, p. 826–829.
  • Rapp, D. 2009. Ice Ages and Interglacials. Measurments, Interpretation and Models. Springer, UK, 263 p.
  • Svensson, A., S. W. Nielsen, S. Kipfstuhl, S. J. Johnsen, J. P. Steffensen, M. Bigler, U. Ruth, and R. Röthlisberger. 2005. Visual stratigraphy of the North Greenland Ice Core Project (NorthGRIP) ice core during the last glacial period, J. Geophys. Res., 110, D02108, doi:10.1029/2004JD005134.
  • Velicogna I. and Wahr J., 2006. Acceleration of Greenland ice mass loss in spring 2004 // Nature, 443 (21 September 2006), p. 329–331.
  • Velicogna I. and Wahr J., 2006. Measurements of time-variable gravity show mass loss in Antarctica // Science, 311 (24 March 2006), no. 5768, p. 1754–1756.
  • Zotikov I. A., 2006. The Antarctic Subglacial Lake Vostok. Glaciology, Biology and Planetology. Springer–Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 144 p.
  • Войтковский К. Ф., 1999. Основы гляциологии. Наука, Москва, 255 с.
  • Гляциологический словарь. Под ред. В. М. Котлякова. Л., ГИМИЗ, 1984, 528 с.
  • Жигарев В. А., 1997. Океаническая криолитозона. М., МГУ, 318 с.
  • Калесник С. В., 1963. Очерки гляциологии. Государственное издательство географической литературы, Москва, 551 с.
  • Кечина К. И., 2004. Долина, ставшая ледяной могилой //Би-Би-Си. Фоторепортаж: 21 сентября 2004.
  • Котляков В. М., 1968. Снежный Покров Земли и Ледники. Л., ГИМИЗ, 1968, 480 с.
  • Подольский Е. А., 2008. Неожиданный ракурс. Жан Луи Родольф Агассис, «Элементы», 14 марта 2008 (21 с., дополненная версия).
  • Попов А. И., Розенбаум Г. Э., Тумель Н. В., 1985. Криолитология. Издательство Московского университета, 239 с.

Комментарии (30)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия