Поверхностная морена как фактор эволюции горного ледника

Резепкин, Алексей Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Поверхностная морена как фактор эволюции горного ледника
ВАК РФ 25.00.31, Гляциология и криология земли

Автореферат диссертации по теме "Поверхностная морена как фактор эволюции горного ледника"

московским государственный университет

имени М.В. ЛОМОНОСОВА Географический факультег

На травах рукописи

Резепкин Алексей Александрович Поверхностная морена как фактор эволюции горного ледника

25.0031 —Гляциология и криология Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой сгепаш кандидата географических паук

005058729

1 6 МАЙ 2013

Москва-2013

005058729

Работа выполнена на кафедре криолитологии и гляциологии географическою

Научный руководитель - ПОПОВНИН Виктор Владимирович

кандидат географических наук, доцент кафедры криатпктогш и гляциологии географического факультета Московского государственного утщкитета имени МВЛомоносова

Официальные оппоненты - БОЖИНСКИЙАлексащф Николаевич

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник научно-гкследовательской лаборатории снежных лавин и селей географического факультета Московского государственного/университета имени МВЛомоносова

ТИТКОВ Сергей Николаевич

кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник ОАО «ПНИИИС»

Ведущая организация - Институт географии Российской академии наук

(г.Москва)

Зашща состоится «16» мая 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совегаД501.00Ш при Московском государственном университете имени МВЛомоносова ш адресу. 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факугалет, 21 этаж, ауд. 2109 (тот. +7495 9392238, факс 4-7495 9328836, е-таД: 5аепсе@§ео^лкаш).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе дассергащш Научной библиотеки Московского государственного университета имени МВЛомоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д27, А8. Автореферат размещён на сайге Географического факультета Московского государственного университета имени МБЛомодасова {Мр,удууууудюст.ггу5аш/).

Автореферат разослан12 апреля 2013 г.

Ученый секретарь дахергационного совета, кандидат географических наук ведущий научный сотрудник

жЖ^.,

£ ШныпарковАЛ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Большинство горных ледников сокращаются, и в основном это происходит в результате уменьшения снежносга зим и повышения температуры в глобальных масштабах, что ведёт к увеличению доли абляции в их балансе массы. Поскольку во многих регионах сток с ледников играет ключевую роль в обеспечении промышленности и населения водой, с особой остротой встает проблема оценки современного состояния ледников и получения данных об абляции, т.к. именно она обуславливает ледниковый сток. Особую важность при этом приобретает выяснение механизма и тенденций абляции льда, скрытого под чехлом поверхностной морены.

Этот характерный атрибут нижних частей акгавных горных ледников коренным образом предопределяет интенсивность таяния глетчерного льда на языке — главной сгокообразующей провинции ледника. Изучение этой связи имеет как научный, так и практический смысл: в первом случае поверхностная морена обуславливает облик полей баланса массы и его расходной составляющей на языке, а во втором от результирующего эффекта моренного чехла зависит сама величина объема ледникового стока, идущего на нужды гидроэнергетики, ирригации сельскохозяйственных угодий в предгорьях и тл. Данная связь нелинейна. Маломощный (первые сантиметры) моренный покров усиливает подморенное таяние, а более толстый слой, наоборот, ослабляет его вплоть до полного прекращения. В науке эта зависимость обычно рассматривается в своем квазистационарном виде. :

Актуальность данной работы состоит в более приближенном к практическим запросам исследовании изменений в балансовом состоянии ледника, вызванных динамической трансформацией моренного чехла, поскольку и его морфомегрия, и его свойства постоянно меняются во времени. На господствующей сейчас регрессивной фазе эволюции оледенения толщина моренного покрова на поверхности ледников увеличивается, а это определяет рост его влияния на многие процессы, происходящие на леднике.

Цель работы - комплексное изучение поверхностной морены, а также зависящих от нее процессов - абляции погребенного глетчерного льда и формирования стока с ледника. Главным объектом исследований был выбран кавказский ледник Джанкуат.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1) изучение структуры теплового баланса поверхности моренного чехла и его внутреннего температурного режима, а также интенсивности таяния погребенного льда в зависимости от синоптических ситуаций с выявлением особенностей его внутрисуточного хода на основе применения современных приборов;

2) измерение толщины поверхностной морены ледника Джанкуат и анализ её разрастания за период прямых наблюдений, сопровождающийся выяснением источников поступления лигогенного материала на поверхность ледника;

3) определение теплофизического эффекта моренного покрова на таяние погребённого лвда и жидкий сток из-под морены, а также выявление его изменчивости в зависимости от толщины и гранулометрического состава моренного материала;

4) прогнозирование аккумуляции, абляции, баланса массы и гипсометрии поверхности ледника в ближайшем будущем с учетом эволюции чехла поверхностной морены.

Методы исследований, применённые в работе: комплекс режимных масс-балансовых наблюдений на леднике; гляциогеоморфологические описания; гидрологические измерения расходов воды на замыкающем створе бассейна для расчёта объёма жидкого стока; измерения и расчёт компонентов теплового баланса с помощью автоматических метеостанций; анализ базовых метеорологических элементов и синоптических карг, измерение температурного режима моренной толщи посредством автоматических терморегистрагоров, установленных внутрь неё; прямые наблюдения за подморенным таянием с помощью автоматических регистраторов и реечной сети; полная мореносьёмка языка Джанкуата для картографирования толщины морены; радиолокационное зондирование ледниковой тшщи; картографический анализ существующих карт и построение картосхем; СРБ-съемка; полевое картографирование типов поверхности ледника Для обработки рядов наблюдений применены метода математической статистики.

Материалы, использованные в работе: данные прямых наблюдений за балансом массы, метеорологическими и гидрологическими параметрами (в том числе с помощью автоматических метеостанций, регистраторов и логтеров), а также за поверхностно-моренным чехлом, начатых в 1965 г. и проводимых по настоящий день гляциологами МГУ под руководством Г.К.Тушинского, М.БДюргерова и ВБ .Поповнина; данные исследований поверхносто-моренного покрова на других ледниках Земли; труды, посвященные гляциометеорологии и тепловому балансу поверхности ледников, - как классические (АЛВолошина, А.Н.Кренке, В.Г.Ходаков), так и современные (T.D.Reid, BAV.Brock); отечественные и зарубежные данные о теплофизическом эффекте моренного покрова (А.Н.Божинский, М.С.Красс, ВВЛоповнин, O.Humlum, G.0strem и та); данные из отечественной и зарубежной литературы об источниках поступления обломочного материала на поверхность ледника; результаты мезомасштабного прогнозирования климата с помощью глобальной циркуляционной модели HadCM3; результаты реконструкции баланса массы ледника Джанкуат и его компонентов за 1871-1967 гг. (МЕДюргеров, ВБЛоповнин); опубликованные сведения о колебаниях других ледников Земли; топографические карты масштаба 1:10000; космические снимки.

Личный вклад автора. Автор участвовал в экспедициях МГУ на Северном Кавказе в период с 2006 по 2012 гг., проводя в составе ледникового отряда наблюдения за балансом массы на репрезентативном леднике Джанкуат, обслуживал автоматические метеостанции и регистраторы таяния, а также автоматические терморегистрагоры, установленные на поверхности ледника и в толще морены, произведя в дальнейшем анализ полученных данных, что и легло в основу диссертации; проводил пирометрические наблюдения за расходами талых вод с ледника; измерял подморенную абляцию по реечной сета и с помощью прибора Sonic Ranger, в 2010 г. провёл прямое измерение толщины чехла поверхностной морены, подтверждённое радарной съёмкой 2012 г., составив карту мощности моренного чехла; в 2011г. произвёл полевой эксперимент по влиянию гранулометрии на интенсивность таяния погребенного льда; составил прогноз годовых значений аккумуляции, абляции, баланса массы и объёма жидкого стока с ледника Д жанкуат

до 2025 г., учшывающий эффект эволюции моренного чехла, на основании чего с помощью программного пакета ЕБИ АгсСЖ 9.3 им была составлена картосхема изменения морфомегрии ледника Джанкуаг до 2025 г.

Научная новизна работы. Наиболее подробно по сравнению с предыдущими исследованиями изучена поверхностная морена горного репрезентативного ледника с точки зрения её влияния на абляцию погребённого льда и, следовательно, на баланс массы. Впервые получена и проанализирована серия повторных мореносьёмок горного ледника за период 27 лет с картографированием мощности моренного чехла. Впервые на леднике Джанкуаг (Центральный Кавказ) произведён полевой эксперимент по влиянию гранулометрии на интенсивность таяния погребённого льда. С помощью новейших прямых методов выявлены различия в структуре теплового баланса чистой и заморененной поверхностей с использованием новейшей прецизионной аппаратуры. С часовым разрешением получен внутрисуточный ход интенсивности абляции чистого и погребенного льда. С часовым разрешением определен режим температуры внутри моренной толщи на разных глубинных горизонтах. Впервые составлен прогноз годовых значений аккумуляции, абляции, баланса массы и жидкого стока с ледаика Джанкуаг до 2025 г., учтываюшцй эффект эволюции моренного чехла. Выяснена роль поверхностной морены в изменении будущей поверхности ледника. На основании результатов многолетних прямых полевых исследований, процесс накопления и изменения поверхностной морены рассмотрен в числе важнейших факторов эволюции ледника Защищаемые положения:

1. Составленная по результатам прямых измерений карга толщины моренного материала на леднике Джанкуат показывает разрастание моренного покрова за предыдущие 27 лет как по площади (от 0,252 км2 в 1983 г. до 0,344 км2 в 2010 г.), так и по мощности (прирост от 70 см в прифронгальной части до 10 см в верхней части языка ледника) при сохранении основных пространственных закономерностей своего распространения. Объем поверхностной морены за этот интервал времени испытал 141%-ое приращение (с 70,33 до 169,59 тыс.м3). В 2010 г. поверхностной мореной был занят 61% площади языка. Ослабление

или бронирование абляции моренным чехлом наблюдается на 93% заморененной части языка

2. Полученный инструментально осредненный за сезон суточный ход интенсивности таяния на подморенном льду отличается от такового на чистом льду как запаздыванием своих пиков, так и многократным ослаблением темпов абляции: на подошве 60-сангиметрового слоя морены, где среднесуточная температура в течение периода абляции не опускается ниже 1°С, это ослабление пятикратно, а сама величина интенсивности таяния не превышает 0,5-1 мм водэквУчас даже при максимальном суточном прогреве.

3. Кумулятивный баланс массы ледника Джанкуат в 2012-2025 гг., прогнозируемый на основании климатического сценария и с учетом эффекта от дальнейшего заморенивания ледника, равен -8600 мм воддкв., что соответствует норме баланса в -590 мм/год; годовой объем жидкого ледникового стока за этот период будет варьировать от 8,9 до 12,5 млн м3, означая 16-62%-ый прирост относительно настоящего.

4. Именно ускорившееся вследствие дегляциации моренонакопление вызовет к 2025 г. понижение заморененных секторов ледника на 7-15 м меньшее, чем на смежных потоках чистого льда, что в итоге приведёт к отчленению этих участков от активного ледника. По мере увеличения своей мощности поверхностная морена до 45% ослабит темпы понижения поверхности на языке по сравнению с прогнозируемой реакцией на чисто климатический сигнал, тем самым вызвав эффект, соизмеримый с влиянием изменения климата на водно-ледовые ресурсы и рельеф ледника

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют оценил» влияние, которое по мере своего разрастания по плошади и увеличения толщины поверхностная морена оказывает на происходящие на поверхности ледника процессы, а также нелинейность этого влияния, из чего следует невозможность пренебрежения им при расчете режимных характеристик лед ников и при прогнозировании объемов ледникового стока

Апробация работы. Основные выводы и положения диссертации были представлены и обсуждались на международных конференциях по фундаментальным наукам «Ломоносов-2007» и «Ломоносов-2008», IV конгрессе Международной Геосферно-Биосферной

Программы (Кейптаун, 2008), конференции по измерению баланса массы и моделированию (Скейкампен, 2008), международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века» (Москва, 2010), ассамблее Европейского Геофизического общества (Вена, 2012 и 2013), на встречах международных рабочих групп в университетах Рединга (2008) и Мюнхена (2009). По теме диссертации в изданиях из списка ВАК опубликованы две научные раба™.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и содержит 160 страниц машинописного текста, в том числе 83 рисунка, 7 таблиц и список литературы, включающий 282 наименования.

Благодарности. Автор выражает признательность сотрудникам кафедры криолишлогии и гляциологии географического факультета МГУ и её заведующему, профессору В.Н.Конищеву, создавшим все условия для написания диссертации, аспирантов АЛРевокагову, В.Г.Пастухова и к.г.н. МНЛванова, оказавших ценную помощь при написании отдельных разделов диссертации. Написание диссертации было бы немыслимым без помощи, руководства и постоянной поддержки на всех этапах исследования доцента кафедры криалигалогии и гляциологии МГУ кандидата географических наук В.В.11оповнина. Автор выражает благодарность фондам РФФИ (гранты 06-05-64094а, 09-05-01182а, 12-05-00491а) и Еи ЮТАБ (проект 06-1000017-8608) за предоставление финансирования для осуществления исследований по теме диссертации.

содержание работы Глава 1. Общие вопросы существования моренного покрова

Для получения полной картины возникновения поверхностных морен и прогноза их развития важно знаггь источники поступления обломочного материала на ледник. Этот вопрос издавна ставился корифеями гляциологической науки. Так, ДжАйвс и ККинг [Лет, Кт& 1955], исследуя морены ледника Морсарйокудль (МогеадбкиЛ) в Исландии, пришли к

выводу что они представляют собой исключительно поверхностные образования и сложены делювиальным материалом. Те же выводы публикуют ХЛистер [Lister, 1958\, изучив морены на ледниках СВ Гренландии, А.Рапп [Rapp, 1960\ по моренам ледника Темплфьёрден (Tempelfjorden) на О.Шпицберген, МДушкин [1964] на наблюдениям на Большом Амру, СЛумис [Loomis, 197СЦ для срединной морены канадского ледника Каскавулш, Р.Смолл и МХларк [Small, Clark, 1979\ для ледников Альп. Равным образом ряд авторов отмечает полигенетичность моренного материала, а именно присутствие в составе поверхностных морен обломочного материала, взброшенного по плоскости скалывания с ложа ледника [Weertman, 1961; Boulton, 1967; Троицкий, 197S]. Вопрос генезиса поверхностных морен и их влияния на абляцию ставился и отечественными гляциологами [напр, Авсюк, 1950; Астапова, 1980; Бажев, 1973; Бардин и др., 1976; Басим, 1983; Глазовская, 1952; Глазовский, 1983; Глазырин, 1969; Денисов, 1980; Демченко, Соколов, 1982; Диких, 1975; Долгушин и др., 1972; Ивернова 1952; Каталов, 1967; Крейтер, 1966; Лаврушин, 1976; Марков, 1946; Медведев, Барыков, 1983; Орлов, 1982; Садыков, 1973; Серебряный, Орлов, 1982; Ходаков, 1972; Щукин, 1926 и др.]. Морфологические исследования, проводимые на поверхностных моренах ледников по всему миру, не выявили универсальности в генезисе обломочного материала, поэтому единых взглядов на источники поступления в моренную толшу каменного материала не сформировано.

Глава 2. Особенности существования моренного чехла на леднике Джанкуат

Ледник Джанкуат был выбран опорным для Центрального Кавказа и характеризуется непрерывным рядом режимных наблюдений с 1968 г, на основании чего он включен Всемирной службой мониторинга ледников (WGMS) в десятку опорных ледников Земли. Значительная часть языка ледника перекрыта моренным чехлом. Наблюдения за компонентами теплового баланса поверхности велись с помощью автоматических метеостанций Campbell (Канада). Метеостанции измеряли весь комплекс основных метеорологических характеристик для расчета теплопотоков. Одна из метеостанций была установлена на высоте 2980 м на относительно пологом выровненном участке с чистым

льдом, другая - на гребне срединной поверхностной морены, расположенном поодаль в орографически правой части языка на высоте 3000 м. Автоматические метеостанции работали автономно, измеряя все метеопарамегры круглосуточно в непрерывном режиме в течение четырёх сезонов абляции с дискретностью в 15 минут.

Суточный ход тепловых потоков на открытой ледяной поверхности (рисЛа) вполне закономерен: около 6 часов утра баланс коротковолновой радиации начинает принимать положительные значения, достигая максимума абсолютных значений (680 Вт/м2) примерно в 12-13 час. Баланс длинноволновой радиации в течение круглых суток находится в области отрицательных значений; при этом суточная амплитуда относительно невелика - от -13 до -39 Вт/м2. Поток явного тепла, согласно расчетам, отрицателен днем, однако принимает положительные значения в 17-18 час. Суточный ход скрытого теплообмена выражен слабо; абсолютные значения также невелики (от -17 до -42 Вт/м2).

Тепловые потоки и абляция - лед Тепловые потоки и абляция - поверхностная морена

а 1 3 600 6

я 3 I

<5 | 200 / / \ \ > i 1 ¿00 / / t ? 8

3 i 2! 'I1 I £ 0 ¿.ii^.zjk^'-............ i i 'I 0

"-20С .....-jr-t'-t: -g >.— -Г i | Ф со I 200 I 7Г—J-—Г рг—I—^gL

[ -S -L —Н - IE —М I -S -L -H — IE .....G---M j

Рис. 1. Суточный ход компонентов теплового баланса на открытой ледяной (а) и заморененной (б) поверхностях, где баланс коротковолновой радиации, Ь - баланс длинноволновой радиации, Н-турбулентный поток тепла к поверхности ледника, ЬЕ - тепловой эквивалент испарения (-Щ или конденсации (+ЬЕ) на поверхности снега и льда, О - количество тепла, переданное вглубь благодаря теплопроводности.

Закономерности суточного хода компонентов теплового баланса на заморененной поверхности (рис. 1 б) в целом те же, что и на чистом льду, однако имеются и различия. Так, абсолютные значения и суточная амплитуда потока явного тепла на заморененной поверхности явно выше (минимальные значения -326 Вт/м2 при ночных и утренних значениях теплового потока порядка 120 Вт/м2). В первую очередь, это объясняется различием теплоемкостей льда и слагающего морену материала. Кроме того, поток явного тепла имеет обратную зависимость от разницы удельных влажностей воздуха и

поверхности: в то время как относительная влажность тающего льда принималась за 100%, на поверхности, сложенной обломочным материалом, эта величина гораздо меньше. Значения потока явного теплообмена на поверхностной морене больше в абсолютном выражении в связи с тем, что здесь амплитуды температуры гораздо выше. Экстремумы на моренной поверхности запаздывают-так, сильнее всего воздух над мореной прогревается к 18 час. против 16-17 час. над чистым льдом.

Поток скрытого теплообмена ЬЕ на ледяной и моренной поверхностях приблизительно одинаков по абсолютным значениям, но различается по знаку: на поверхности морены происходит конденсация водяного пара (ЬЕ>0), тогда как на ледовой поверхности идет испарение (ЬЕ<0). Баланс длинноволновой радиации на моренной поверхности больше по абсолютным значениям.

Принципиальная роль поверхностной морены в режиме ледников относительно известна, хотя количественные придержки на разных ледниках заметно варьируют. Кратковременные полевые исследования описывают как усиливающую роль поверхностной морены в абляции погребенного под ней глетчерного льда (на Джанкуате -для слоя моренного материала не толще 7 см), так и обратную, т.е. бронирующую, роль: как

показывают расчеты, прекращение абляции наступает при толщине морены порддка 150-300 см [Всскткгу е/ а!., 1985]. Божинским и др. [1985] было рассчитано, что для условий Центрального Кавказа суточные колебания температуры затухают в слое морены толщиной 0,16 м. Для проверки данной гипотезы в толще поверхностной морены вблизи комплекса «метеосганция-аблятограф» были установлены терморегистраторы ТтуТа^ фиксировавшие с часовой дискретностью температуру в

0 14

312

е- ю

га 8

!• 6

2. 4

1 „ 5 I

® о

-5 см ---25 см - - 40 си --60 см

У .______\

/ ,---------

= --"Г-'' ,.- '

с? & СУ & й9 й® с^ с?

-й3 лР дг -о° ¿У

¿Р П,-* ^ & о^ & Л> & & &

Рис.2. Суточный ход температуры в толще поверхностной морены, осредненный за сезоны абляции 2007/08-2008/09 гг.

течение сезонов абляции 2007/08-2008/09 гг. Выяснилось, что даже на глубине 0,6 м температуры остаются положительными (рис.2), т.е. подморенная абляция происходит.

Было рассмотрено и влияние поверхностной морены на жидкий сток. Так, сток го-под морены, зафиксированный в сезоне абляции 2006/07 г. (1,2 млн. м3, или 11% от суммарного годового стока с ледника), является вторым по величине за весь период наблюдений, уступая лишь сезону абляции 1993/94 г. В целом же значения подморенного таяния превышали отметку в 1Д млн. м3 лишь 3 раза за 45-летний период наблюдений. Среднее многолетнее значение подморенного стока равно 0,82 млн. м3, и стало быть, величина жидкого стока из-под поверхностной морены в 2006/07 г. превысила это значение на 50%, подтверждая то, что сезон 2006/07 г. в ряду балансовых наблюдений на леднике Джанкуагг знаменуется экстремумом абляции (-3960 мм водэкв. при среднемногсшешем значении -2630 мм вод.экв.).

Глава 3. Разрастание моренного чехла на леднике Джанкуат и его последствия

В 2010 г. автором была произведена полная мореносъемка ледника Джанкуат, третья за период его мониторинга (предыдущие производились в 1983 и 1994 гт.). Способ прямых измерений остался таким же, что и предыдущих исследованиях - по возможности ручные раскопки моренного материала до кровли погребенного льда либо пенетрация моренной

Рис.3. Карты толщины моренного чехла на языке ледника Джанкуат в 2010 г. и границы высотно-морфологических зон (ВМЗ, нумерация римскими цифрами) (а) и влияния толщины моренного чехла на абляцию (б).

толшц металлическим шупом. Измерения были произведены в 189 точках, рассредоточенных по всей заморененной поверхности ледника по ландшафтному принципу. Построена карта толщины моренного покрова на языке ледника (рис.За). Наибольшие толщины поверхностной морены были отмечены в нижней (1) высотно-морфологической зоне (ВМЗ) ледника по традиционно принятой на Джанкуате системе из 13 ВМЗ. Максимальная толщина морены 260 и 245 см была зафиксирована в точках, которые находились в непосредственной близости от края ледника

Примечательно, что практически на всей плошали языка ледника морена оказывает экранирующее воздействие по отношению к абляции погребенного льда, а на отдельных участках - бронирующее. Усиление таяния льда за счет морены происходит в краевых участках моренного чехла (рис. 36). Кроме того, за прошедшие после первой мореносъемки 1983 г. 27 лет масса литогенной манши, влекомой ледником на своей поверхности, испытала значительные приращения в своем количественном исчислении (рис.4).

В ходе многолетних полевых исследований и на основании сравнения разновременных карт толщины моренного покрова вьиснено, что основная масса каменного материала поступает на

поверхность ледника с окружающих

Рис.4. Увеличение толщины моренного _

_ ^ склонов, а также привносится ледовыми

чехла, осреоненнои по высотно-

морфологическим зонам (ВМЗ), за потоками с г.Джангуган и г.Уя-тау при

последние 27 лет.

эпизодических катастрофических каменных обвалах (как, например, обвалы в области питания в 2001-2003 гг.) и особо крупных снежных лавинах (например, со склона г.Уя-тау в 1980 и 1997 гг.). При росте снежносш зим и повышении зимних температур, наблюдающемся в последнее время, частота схода лавин со склона г.Уя-тау, в том числе и катастрофических, будет увеличиваться, что повлечет интенсификацию моренонакопления в 1У-У ВМЗ. Морену 1-111 ВМЗ, приуроченную к орографически левому борту ледника, помимо прямых каменных обвалов со склона долины.

питает в основном поток с г.Джашуган, особенно сильно деградирующий в последнее время (еще в 1970-х гг. в эту ветвь вливался лежащий выше небольшой безымянный висячий ледник), что, в свою очередь, ведет к еще большему усилению обвальноосыпной деятельности со склонов скального обрамления, недавно освободившихся от ледникового панциря и поэтому подверженных денудации. Вследствие вышеозначенных причин в ближайшее время в НУ ВМЗ следует ожидал, резкого ускорения моренонакогшения, причем рост толщины поверхностной морены будет носить экспоненциальный характер. Более того, исходя из анализа мировой литературы по данному вопросу, основная причина каменных обвалов - дегляциация, ведущая к возрастанию крутизны склонов. Вследствие этого в скалах перераспределяются нагрузки, образуется сеть трещин и ослабляются структурные связи. Имеет значение количество циклов перехода через 0°С, что ведет к интенсификации морозобойной эрозии. Применительно к крупным циклам оледенения, основной объем крупных обвалов происходит в течение первых нескольких столетий после отступания ледника, а затем происходит экспоненциальное уменьшение вероятности каменных обвалов.

Исследования моренного покрова сопровождались прямыми наблюдениями за подморенным таянием. На языке с помощью парогенераторного термобура Неиске Ice Drill (Германия) в 2007 г. было установлено 10 абляционных реек в местах с толщиной морены от 3 до 61 см (рис.5). Рейки

^ «.' „•

А Л Л

Рис.5. Кумулятивные кривые подморенной были абляции ледника Джанкуат по сети абляционных реек, забуренных в лед под многосекционными, так что по мере чехлом морены разной мощности (3-61 см).

вышивания одной секции мониторинг таяния продолжался по следующей, и ряд наблюдений за подморенным таянием не прерывался, в результате чего грубая ошибка измерений была практически исключена

Абляидя при толщине моренного покрова, равной 6,5 см, значительно превосходила по абсолютным значениям абляцию во всех остальных точках. Однако, согласно более ранним теоретическим проработкам, наибольшие величины таяния погребенного льда достигаются при толщине морены в 2-3 см, а при толщине моренного покрова 7 см усиление таяния льда прекращается [Бо.жинский и др., 1985]. Если не брать в расчёт вероятность эпизодического уменьшения толщины моренного чехла за период мониторинга из-за смещения каменного материала под воздействием дефлюкции (медленного смещения фунта при вязкопластических деформациях, причины которого чаще всего связаны с изменением температуры, влажности, промерзанием-оттаиванием) или чего-либо аналогичного, то причиной отличия от теории могут служить лишь различия физических свойств пород, слагающих морену, — например, различия в теплопроводности, плотности упаковки или альбедо.

Абляция на открытой и заморененной поверхностях фиксировалась также с помощью автоматических приборов Sonic Ranger, измеряющих расстояние до понижающейся в процессе таяния поверхности с интервалом в 15 минут и сохраняющий в блок памяти эту величину. Задача отображения суточного хода абляции с такой детальностью в российской гляциологии прежде никогда не ставилась. В течение всего периода эксперимента Sonic Ranger, установленный на поверхностной морене толщиной 60 см, исправно фиксировал явно экранирующий характер её воздействия. Интенсивность

абляции чистого льда в несколько раз

превышала темпы подморенного (рис.6).

таяния

3 Я 3

Часы

-морена 2007 г.--морена 2008 {.......лёд 2007 г.---лёд 2008 г.

Рис.6. Осредненный внутрисуточный ход таяния на открытой и заморененной части ледника Джпнкуат за 2007 и2008ж

Чистый лед тает интенсивнее всего в 12-15 час., что напрямую связано с потоком инсоляции, поступающей на поверхность ледника. Солнечные лучи в этот интервал времени падают наиболее

отвесно, освещается максимальная площадь ледника; в среднем интенсивность понижения поверхности достигает 4-5 мм водэквУчас. Наименьшая интенсивность абляции наблюдаются в 7-8 час, что естественным образом объясняется максимальной выхоложенностью тшшщ ледника к этому времени. Также абляция чистого льпа в интервале 20-24 час. происходит интенсивнее, чем в период 0-4 час. Причиной увеличения скорости таяния в интервале 20-24 час. может служить подъем из низовьев долины теплых воздушных масс. Объяснение всех максимумов и минимумов в распределении внутрисуточного хода абляции льда в основном влиянием солнечной радиации связано с тем, что ее количество на ледниках умеренных широт играет определяющую роль в таянии снега и льда; на ее долю приходится 80-90% всего тепла, расходуемого на абляцию [Волошина 2002].

Принципиально иным обликом характеризуется осредаённый внутрисуточный ход таяния погребенного льда Основное его таяние происходит в вечерние и ночные часы. Максимум же суточного таяния наблюдается в интервал 20-21 час. — тогда оно достигает чуть более 1 мм водэквУчас. Дело в том, что таяние погребенного льда при толщине чехла поверхностной морены равной 60 см, в отличие от таяния на открытой части ледника, не зависит напрямую от ряда-теплобалансовых факторов, определяющих интенсивность абляции чистого льда Так, при подморенном таянии исключено влияние испарения и конденсации, которое играет важную роль на многих ледниках. На подморенное таяние не оказывают воздействия (механического и теплового) жидкие осадки и потоки талой воды по поверхности ледника. Вдобавок, приток прямой солнечной радиации к кровле погребенного льда отсутствует. Подморенное таяние тогда в наибольшей степени определяется количеством тепла, переданным с поверхности вглубь моренной толши благодаря ее теплопроводности. Следовательно, подморенное таяние при достаточно большой толщине моренного чехла зависит в первую очередь от теплофизичеСких свойств слагающих морену пород

Любопытен факт подъема кровли поверхностной морены в период с 8 до 15 час, когда поверхность ледника прогревается сильнее всего и абляция чистого льда наиболее

интенсивна Волны тепла и холода достигают кровли погребенного тающего льда с большой инерцией, и в дневное время на поверхности погребенного льда могла бы происходил, режеляция. Однако эта гипотеза была опровергнута результатами измерений температур с помощью автоматических датчиков TinyTag внутри моренной толщи (рис.2): температуры даже на глубине 60 см были положительными.

Причиной поднятия кровли поверхностной морены может быть температурное расширение а^ верхнего слоя моренного материала Поскольку коэффициент линейного теплового расширения определяется [Павлов, Хохлов, 1985] как

то использование данного уравнения (аг для гранитов равно 0.00008/°С), приводит к средней величине теплового расширения поверхностной морены равной 0,7 мм, что вполне согласуется с амплтудами повышения её кровли.

Для дальнейшего подтверждения гипотезы о физических свойствах пород как важном факторе, определяющем величину абляции погребенного льда, в ходе эксперимента, проведенного на леднике Джанкуат, выяснено, что абляция под слоем крупнообломочного материала (диаметр отдельносгей 16-17 см) вдет в 4 раза интенсивнее, чем под слоем мелкообломочного (диаметр отдельносгей 7-8 см), при одинаковой толщине моренного материала, равной 14 см.

Глава 4. Баланс массы и жидкий сток с ледника Д жанкуат в прошлом и будущем

Для моделирования климатической сшуации на леднике была использована модель глобальной циркуляции ЬЫСМЗ, которая основывается на климатическом сценарии А2 \Naklcenovlc е/ а/., 2000]. Смоделированные температуры воздуха были приведены к

метеостанции Терскол, находящейся в 17 км от ледника Джанкуат, показав при проверке инструментально измеренными температурами великолепную сходимость (г=0,9).

Смоделированные температуры были приведены к высоте джанкуатского стационара, а затем - через высотный градиент 0,6°С7100 м - к высоте опорной точки на языке ледника В результате был выведен температурный тренд который за чуть более чем 50 лет (с 1968 по 2025 гг.) составил практически 1°С в сторону потепления (рис.7). Используя ту же климатическую модель, были смоделированы и осадки (рис.8).

Прослеживается небольшой тренд на их увеличение, что согласуется с ростом температуры воздуха. Климатический прогноз, составленный помесячно для каждого года в период с 2012 по 2025 гг., явился почвой для прогноза аккумуляции, абляпии и баланса массы ледника на тог же период. Аргументом для расчета аккумуляции была выбрана сумма

9,0 8,0

Ь.О 1,0 3,0

средние темпера!уры сезона абляции

- линейный тренд изменения средни* температур сезона абляции

ОЙ^ЙЗСОЙ^СЭЙОУЯГ^С!

среднесезонные суммы осадков

—скользящие средние по пятилетиям для среднесезонных

сумм осадков — линейный тренд изменения среднесезоннык сумм осадков

Рис.7. Средняя за сезон абляции Рис.8. Среднемесячные суммы осадков на температура воздуха на ледникеДжанкуат. леднике Джанкуат.

осадков за зимние месяиы с сентября по май, а для расчета абляции - средняя летняя (июнь-август) температура воздуха Коэффициент корреляции аккумуляции с зимними осадками за период с 1968/69 по 2006/07 гг. составил 0,74, а абляции с величиной летних температур за тот же период - 0,72.

Автор располагал двумя основными методами для вычисления абляции: а) было выведено уравнение линейной регрессии, описывающее связь между измеренной абляцией и известной температурой воздуха; б) абляция также была просчитана по

модифицированной специально для ледника Джанкуат формуле Кренке-Ходакова Щюргеров, Поповнин, ¿981]:

Аб = (1Л +3,78/+ 410,

где абляция выражена в слое воды (мм). Для выбора наилучшего из них была произведена верификация обоих методов за период с напрямую измеренной абляцией - с 1968/69 по 2006/07 гг. (рис.9а). Коэффициент корреляции между измеренными и рассчитанными

Рис. 9. Совмещенный график измеренной и рассчитанной абляции (а) и аккумуляции (б) за период с 1968/69 по 2006/07гг.

значениями абляции составил 0,73 при расчётах по формуле Дюргерова-Поповнина и 0,72 при использовании уравнения линейной регрессии. Однако, расчет абляции с помощью регрессионного анализа лучше описывал абсолютные значения абляции, поэтому для прогноза абляции до 2025 г. использовался именно этот метод. Аналогичным образом было выведено уравнение линейной регрессии для аккумуляции, расчетные величины по которому показывают отличную сходимость с измеренными данными (рис.9б). Таким образом, с использованием уравнений линейной регрессии были спрогнозированы величины аккумуляции, абляции, баланса массы и жидкого стока с ледника до 2025 г. Прогноз годовых значений баланса массы и стока с ледника Джанкуат с 2012 по 2025 гг., вкупе с прямыми измерениями с 1968 г. по насгощее время и реконструкцией, выполненной на период с 1871 по 1977 гг. Щюргеров, Поповнин, 1981], образует 153-легний непрерывный ряд (рис. 10).

2000 1000 0

-1000 -2000 -3000 4000

г-- ^ С-

е. с. 1

ё §8 § а

Гч^ гЛ^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^

'нлншнлнлнлн ^ ^ ^ ^ О^ ОЧ СГ| <Т| <Г|

г-~ гч| г- . „ , Ю М (Т1 О I

СГ> СГ1 а-| ст^ о о

Баланс массы

-Скользящие средние по пятилетиям для баланса массы

-Скользящие средние по пятилетиям для стока

25 £

15 *

10 |

0 I

Рис. 10.153-летний ряд балаясамассы и объёма стока с ледника Джанкуат.

Практически на протяжении всего этого промежутка времени абляция превышает аккумуляцию. Преобладанием аккумуляции характеризуется лишь два небольших отрезка времени в несколько лег - в конце XIX века и в 1980-х гг. В среднем картина довольно однородна Наблюдается некоторый спад в значениях аи^муляции на протяжении первой половины XX века Абляция в этот период наоборот характеризовалась повышенными значениями. Именно в этот промежуток времени, скорее всего, и произошло основное отступание ледника на современном этапе. В настоящее время аккумуляция находится на уровне середины XIX века, и прогнозируется небольшое ее дальнейшее понижение. Абляция, напротив, будет демонстрировать тенденцию к возрастанию.

Сочетание этих компонентов означает чуть более быструю по сравнению с последними двумя десятилетиями потерю массы ледником Джанкуат. Минимально отрицательное значение баланса массы за 153-летний период наблюдалось в сезон 1954/55 г. и составило -3490 мм вод.экв., максимальное, равное +1540 мм водэкв., наблюдалось в сезон 1986/87 г. Среднее значение баланса за весь период составило -400 мм водэкв., а среднее значение стока -10,4 млн.м1.

Прогноз баланса массы ледника послужил основой для дальнейшего прогнозирования его рельефа Предполагается, что баланс массы ледника функционально связан с балансом массы в каждой отдельно взятой его точке. Для описания этой связи было решено использовать уравнения линейной регрессии, сочетающие в себе

мультжшикативный и аддитивный законы подобия. Затем информация о балансе массы, традиционно представляемая по леднику Джанкуат в виде непрерывных полей, была разбита на 255483 точек за каждый год, когда баланс был измерен инструментально. Дги каждой из точек были найдены неизвестные члены уравнения линейной регрессии, описывающие функциональную связь между балансом в этой точке и для ледника в целом. На основании найденной зависимости и спрогнозированного баланса массы ледника были построены поля баланса массы ледника с 2012 по 2025 гг. Согласно динамике вьггаивания морены, средняя толщина поверхностной морены на леднике увеличится с 49 см в 2010 г. до 62 см в 2025 г. при наибольшем увеличении толщины чехла в прифронтальной части ледника на 50 см. В поля баланса массы за период прогнозирования были внесены изменения в соответствии с бронирующим эффектом моренного материала. В результате получена карта-схема изменения рельефа ледника Джанкуат к 2025 г. (рис.11).

■ '__

Рис.11. Прогнозная схема изменения морфометрии ледника Джанкуат на 2025 г. с учетам влияния поверхностной морены. Линиями отмечены поперечные профгш рис. 12.

Понижение поверхности АЬ в заморененном секторе ледника будет заметно отставать от открытой ледяной поверхности: тж. если ДЬ чистого льда составит от 10 до 25 м по площади языка, то основная доля заморененного сектора ледника понизится на 2-15 м, хотя в его краевых частях, где морена маломощная, АЬ будет даже больше, чем на чистом льду, доходя до 35 м.

Экранирующий эффект морены более наглядно иллюстрируется серией поперечных профилей (рис.12), демонстрирующей изменения высоты поверхности за 2010-2025 гт. по вариантам прогноза, учитывающим и не учитывающим влияние дальнейшего разрастания морены. Отчетливо видно, что в заморененном секторе ледника понижение поверхности будет происходить менее интенсивно. Разница между значениями ДЪ с учетом и без учета экранирующего эффекта составляет 7-15 м, особенно увеличиваясь выше I ВМЗ. Там в среднем на участках меньшего по сравнению с чистым льдом понижения поверхности (т.е.

......2025 f. с учетом эффекта 2880 2940

2820 \ морены —2025 f. Без учета 2860 —, 2920 ......'С-

2800 эффекта морены ™2М0Г' ..... 7840 \\\ /"' 2900 V-v. 2880

2780 2820 2800 2780 ^N' —- 2025 г. г учетом эффекта

2760 2740 2720 2860 -2025 f. с учеюм эффекта морены 2S40 ......2025 г. беэучега —2010г. эффекта морены 2820 морены ...... 202S г. без учета эффекта морены ---2010 г.

Рис. 12. Поперечные профили поверхности ледника Джанкуат на 2010 и 2025 гг. согласно версиям прогноза с учётам и без учёта эвапоции моренного чехла Расположение профилей см. рис.11.

где в чистом виде проявляется экранирующее влияние морены) величины Ah, рассчитанные без учета эволюции морены оказываются переоцененными на 42-45% (профили В-В' и С-С'). Это демонстрирует, что, во-первых, в течение даже короткого промежутка времени, моренный материал оказывает существенное влияние на изменение гипсометрии поверхности ледника, а во-вторых, эффект развития моренного чехла соизмерим по своему воздействию на изменения гипсометрии языка с эффектом от сугубо климатических перемен.

Заключение

В работе приведены результаты комплексного исследования поверхностной морены ледника Джанкуаг и таяния открытого и погребенного льда, выполненного с помощью прямых методов. Изложена история изучения поверхностной морены на лед никах Земли и обобщены имеющиеся сведения по этому вопросу. Теплобалансовые наблюдения и измерения толщины поверхностной морены Д/кшгкуата, а также применение новейших приборов и современного программного обеспечения приводят к следующим выводам.

1. Суточный ход компонентов теплового баланса заморененной поверхности имеет те же закономерности, что и ход теплобалансовых величин на чистом льду, но абсолютные значения потока явного тепла на заморененной поверхности выше (минимум -326 Вт/м2 против -120 Вт/м2 на чистом льду). Это объясняется различием теплоемкосгей льда и слагающего морену материала. Поток явного тепла также имеет обратную зависимость от удельной влажности поверхности. Кроме того, на него влияет и суточная амплшуда температуры, которая выше над поверхностью морены. Минимум теплопогока, отвечающий наибольшему прогреву моренной толщи к 18 час., на морене запаздывает по отношению к чистому льду на 3-4 часа

2. Поток скрытого теплообмена на ледяной и моренной поверхностях примерно одинаков по абсолютным значениям, но различается по знаку: на поверхности морены происходит конденсация водяного пара (положительные абсолютные значения теплового потока), в то время как на ледовой поверхности вдет испарение (отрицательные значения). Баланс длинноволновой радиации на моренной поверхности больше по абсолютным значениям.

3. Интенсивность абляции чистого льда на пике суточного хода (4-5 мм юдэквЛас в 1213 час.) в 5 раз превышает темпы таяния погребенного льда на опорной площадке с толщиной морены 60 см. Отличия абсолютных значений таяния погребенного и чистого льда связаны с бронирующей ролью моренного покрова

4. Судя по полевому эксперименту 2011 г, при толщине моренного материала, равной 14 см, абляция погребенного под слоем крупнообломочного материала (размер частиц 16-17 см) льда вдет в 4 раза интенсивнее, чем под слоем мелкообломочного (размер частиц 7-8 см).

5. Среднее многолетнее значение суммарного подморенного таяния равно 0,82 млн. м3. Значения подморенного таяния превышали отметку в 1,2 млн. м3 лишь 3 раза за 45-легаий период мониторинга, в том числе в 2006/07 г. - сезоне максимальной абляции.

6. Проведенная в 2010 г. полная мореносьемка ледника Джанкуаг, третья с момента начала прямых наблюдений, показывает, что поверхностная морена огличаегся наибольшей толщиной близ фронта ледника (максимум толщины - 260 и 245 см). За прошедшие со времени первой мореносъемки 27 лет толщина моренного чехла там выросла на 80 см.

7. Внутренний температурный режим моренной толщи в сезон абляции, определенный с помощью терморегистраторов ТшуТа^ характеризуется в целом положительными температурами, среднесуточные значения которых даже на глубине 60 см не опускаются ниже+1°С.

8. Основная масса каменного материала на поверхность ледника поступает с окружающих склонов. В последние десягалешя коллювий всё чаще поступает за счёт катастрофических каменных обвалов, т.к. прогрессирующая дегляциация на обрамлении фирнового бассейна обнажает скалы, которые в результате частых переходов через 0°С подвергаются действию морозобойной эрозии.

9. Составленный для ледника Джанкуаг климатический прогноз выявляет температурный тренд, который к 2025 г. приведёт к возрастанию температуры воздуха почта на 1°С относительно 1968 г. Несмотря на слабый тренд к росту осадков, связанный с потеплением, дальнейший спад кумуляты баланса массы ледника Джанкуат продолжится.

10. Выполненный на основании климатического прогноза прогноз баланса массы и стока с ледника Джанкуат с 2012 по 2025 гг., в сочетании с прямыми измерениями 1968-2012 гг. и реконструкцией с 1871 г, обеспечил 153-летний непрерывный ряд аккумуляции, абляции, баланса массы и жидкого стока Среднее значение баланса за этот период составляет -400 мм водэкв. с экстремумами в 1954/55 г. (-3490 мм) и 1986/87 г. (+1540 мм), а среднее значение объёма стока-10,4 млн. м3.

11. Прогноз гипсометрии ледника Джанкуат на 2025 г. демонстрирует понижение поверхности языка, гораздо более выраженное в секторе, не забронированном мореной. К 2025 г. отчленится поток с гДжатуган, обнажив из-подо льда скальный ригель над левой ветвью языка; вследствие усиления моренонакопления и замедления скоростей течения эта ветвь превратится в массив мёртвого льда. Тем самым проявится обратная связь между климатическим фактором эволюции горного ледника, вызывающим дегляциацию и интенсификацию моренонакопления, и мореной как самостоятельным фактором его эволюции.

12. По мере увеличения своей мощности поверхностная морена выходит в разряд основных механизмов, определяющих дальнейшие изменения водно-ледовых ресурсов и рельефа ледника

Список научных работ по теме диссертации

Основные научные результаты опубликованы в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Резепкин АА. Тепловые потоки на ледяной и заморененной частях ледника Джанкуат. Вестник Московского Университета, серия «Гегорафия», №5,2012, с. 43-48.

2. Lambrecht A., Mayer С., Hagg W., Popovnin V., Rezepkin A, Lomidze N., Svaradze D. A comparison of glacier melt on debris-covered glaciers in the northern and southern Caucasus. The Ciyosphere 5,2011, pp. 525-538.

Содержание д иссертации также отражено в следующих публикациях:

1. Поповнин В.В., Резепкин АЛ. Абляция открытого и подморенного льда на леднике Джанкуат. Материалы международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века». М.: Университетская книга, 2009. с. 161-169.

2. Rezepkin A., Popovnin V. Debris cover increase as an essential factor determining evolution of the Djankuat Glacier in the Caucasus // Abstracts of General Assembly of European Geophysical Union - Geophysical Research Abstracts, Vol. 15, EGU2013,2013. p. 974.

3. Rezepkin A. Moraine cover of the glacier as a determining factor of its climate sensitivity // Abstracts of XVIIIINQUA Congress, Bern, 2011. // Proceedings of XVIII INQUA-Congress Quaternary sciences -the view from the mountains. - Bern, Switzerland, 2011.1 p. [Электронный ресурс] URL: http://www.inqua2011 .ch/?a=programme&subnavi=abstractlist. Дата посещения -01.02.2013.

4. Резепкин A.A. Меж- и внутрисуточный ход таяния на леднике Джанкуат. Исследования молодых географов: Сборник статей победителей секции «География» XV Международной молодежной научной конференции «Ломоносов-2008» / Отв. ред. АЛ.Иванов. - М.: МАКС Пресс, 2008. с. 28-29. [Электронный ресурс] URL: http://lomonosov-msiLru/archive/Lomonosov_j2008/05_l .pdf Д ата посещения -01.032013.

5. Резепкин Л.Л. Меж- и внутрисуточный ход таяния на леднике Джанкуат. Сборник аннотаций Материалы XIV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008»: Секция География / Отв. ред. ИААлешковский, АЛ. Андреев, Т. 1.-М.: СП «Мысль», 2007, с. 186-187.

6. Иванов МН, Володачева Н.Н., Воронина ЕА, Ерошенков К.М, Земскова AM., Марченко СА, Радина ЕЮ., Резепкин АЛ., Чалая Н.В., Чекрыжов АА.,Чудаков ИМ. Формирование и эволюция снежного покрова в горах и на равнинах в аномальных метеорологических условиях зимы 2005/06 года. // Сборник тезисов ХШ Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2006": Секция География/ Отв. ред. А.Н.Иванов. -М.: Географический ф-тМГУ, 2006. с.158.

Подписано в печать:

04.04.2013

Заказ № 8310 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Объем: 1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 , 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Резепкин, Алексей Александрович, Москва

московский государственный университет

им. м. в. ломоносова Географический факультет

На правах рукописи

04201356608

Резепкин Алексей Александрович

Поверхностная морена как фактор эволюции горного

ледника

25.00.31. — Гляциология и криология Земли

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель - кандидат географических наук, доцент В.В.Поповнин

Москва-2013

"Поверхность ледника недолго сохраняет блестящую белизну. Он охвачен горами, которые размывает снег, крошит мороз, бороздят лавины, потрясают бури. Более легкие обломки далеко рассыпаются по леднику и грязнят белизну его поверхности"

Дж. Тиндаль, 1866

Введение..........................................................................................4

Глава 1. Общие вопросы существования моренного покрова................................9

§ 1. Общие закономерности формирования покрова поверхностной морены на

горных ледниках..............................................................................................................................................................................9

§2. Исследования поверхностно-моренного покрова на ледниках

Земли......................................................................................................................................................................................................15

Глава 2. Особенности существования моренного чехла на леднике Джанкуат........25

§ 1. Ледник Джанкуат гак опорный объект исследований и его гляциологический

мониторинг........................................................................................................................................................................................25

§2. Условия теплового баланса чистой и заморененной поверхностей..............................32

§3. Теплофизический эффект моренного покрова..............................................................................41

§ 4. Жидкий сток из-под поверхностной морены и его межгодовая изменчивость................................................................................................................................................................................................51

Глава 3. Разрастание моренного чехла на леднике Джанкуат и его последствия............55

§ 1. Разрастание моренного чехла на леднике Джанкуат..................................................................55

§2. Формирование ледниковой морены в свете глобального изменения

климата..................................................................................................................................................................................................71

§3. Данные о поверхностной и подморенной абляции на леднике Джанкуат................90

Глава 4. Баланс массы и жидкий сток с ледника Д жанкуат в прошлом и будущем™ 108

§ 1. Изменение климата на Центральном Кавказе до 2025 года................................................108

§2. Баланс массы и жидкий сток с ледника Джанкуатза 153 года(с 1871 по 124

2025 гг.)................................................................................................

Заключение...........................................................................................137

Список литературы................................................................................ 140

Введение

Широко признается, что флуктуации в положении фронта и балансе массы ледников являются относительно надежным индикатором изменений климата. Горные ледники по всему миру сокращается, при весьма небольшом количестве исключений, и в основном это происходит в результате повышения температуры в глобальных масштабах. Это очень важно для общества, так как во многих регионах сток с ледников играет ключевую роль в обеспечении промышленности и населения водой.

В этой связи встает проблема получения более детальных данных о балансе массы ледников густонаселенных районов, в частности об абляции, что имеет особое значение для оценки изменения стока с лед ников. Еще более остро стоит вопрос об измерении абляции льда, скрытого под чехлом поверхностной морены, который коренным образом предопределяет интенсивность абляции на этих участках и сток с них, а также обуславливает облик полей баланса массы и его расходной составляющей на языке: маломощный (самые первые сантиметры) моренный покров усиливает подморенное таяние, более толстый слой, наоборот, ослабляет его вплоть до полного прекращения. При этом толщина моренного покрова на поверхности ледников повсеместно увеличивается, что определяет еще большее его влияние на все процессы, происходящие в теле ледника и на его поверхности. Это и предопределило актуальность работы.

3) определение теплофизическош эффекта моренного покрова на таяние погребённого льда и жидкий сток из-под морены, а также выявление его изменчивости в зависимости от толщины и гранулометрического состава моренного материала;

Методы исследований, применённые в работе: комплекс режимных масс-балансовых наблюдений на леднике; гляциогеоморфологические описания; гидрологические измерения расходов воды на замыкающем створе бассейна для расчёта объёма жид кого стока; измерения и расчёт компонентов теплового баланса с помощью автоматических метеостанций; анализ базовых метеорологических элементов и синоптических карг; измерение температурного режима моренной толщи посредством автоматических терморегистраторов, установленных внутрь неё; прямые наблюдения за подморенным таянием с помощью автоматических регистраторов и реечной сети; полная мореносъёмка языка Джанкуата для картографирования толщины морены; радиолокационное зондирование ледниковой толщи; картографический анализ существующих карг и построение картосхем; ОР8-съёмка; полевое картографирование типов поверхности ледника Для обработки рядов наблюдений применены методы математической статистики.

O.Humlum, G.0strem и т.д.); данные из отечественной и зарубежной литературы об источниках поступления обломочного материала на поверхность ледника; результаты мезомасшгабного прогнозирования климата с помощью глобальной циркуляционной модели HadQVB; результаты реконструкции баланса массы ледника Джанкуат и его компонентов за 1871-1967 гг. (МБ.Дюргеров, В.В.Поповнин); опубликованные сведения о колебаниях дрледников Земли; топографические карты масштаба 1:10000; космические снимки.

Личный вклад автора. Автор участвовал в экспедициях МГУ на Северном Кавказе в период с 2006 по 2012 гг., проводя в составе ледникового отряда наблюдения за балансом массы на репрезентативном леднике Джанкуат, обслуживал автоматические метеостанции и регистраторы таяния, а также автоматические терморегистраторы, установленные на поверхности ледника и в толще морены, произведя в дальнейшем анализ полученных данных, что и легло в основу диссертации; проводил гидрометрические наблюдения за расходами талых вод с ледника; измерял подморенную абляцию по реечной сети и с помощью прибора Sonic Ranger, в 2010 г. провёл прямое измерение толщины чехла поверхностной морены, подтверждённое радарной съёмкой 2012 г., составив каргу мощности моренного чехла; в 2011 г. произвёл полевой эксперимент по влиянию гранулометрии на интенсивность таяния погребенного льда; составил прогноз годовых значений аккумуляции, абляции, баланса массы и объёма жидкого стока с ледника Джанкуат до 2025 г., учитывающий эффект эволюции моренного чехла, на основании чего с помощью программного пакета ESRI ArcGIS 9.3 им была составлена картосхема изменения морфометрии ледника Джанкуат до 2025 г.

температуры внутри моренной толщи на разных глубинных горизонтах. Впервые составлен прогноз годовых значений аккумуляции, абляции, баланса массы и жидкого стока с ледника Джанкуат до 2025 г., учитывающий эффект эволюции моренного чехла Выяснена роль поверхностной морены в изменении будущей поверхности ледника. На основании результатов многолетних прямых полевых исследований, процесс накопления и изменения поверхностной морены рассмотрен в числе важнейших факторов эволюции ледника. Защищаемые положения:

1. Составленная по результатам прямых измерений карта толщины моренного материала на

леднике Джанкуат показывает разрастание моренного покрова за предыдущие 27 лет как по

2 2

площади (от 0,252 км в 1983 г. до 0,344 км в 2010 г.), так и по мощности (прирост от 70 см в прифронтальной части до 10 см в верхней части языка ледника) при сохранении основных пространственных закономерностей своего распространения. Объем поверхностной морены за этот интервал времени испытала 141%-ое приращение (с 70,33 до 169,59 тыс. м3). В 2010 г. поверхностной мореной был занят 61% площади языка. При этом ослабление или бронирование абляции моренным чехлом наблюдается на 93% заморененной части языка.

2. Полученный инструментально осредненный за сезон суточный ход интенсивности таяния на подморенном льду отличается от такового на чистом льду как запаздыванием своих пиков, так и многократным ослаблением темпов абляции: на подошве 60-сантиметрового слоя морены, где среднесуточная температура в течение периода абляции не опускается ниже 1°С, это ослабление пятикратно, а сама величина интенсивности таяния не превышает 0,5-1 мм вод.эквУчас даже при максимальном суточном прогреве.

3. Кумулятивный баланс массы ледника Джанкуат в 2012-2025 гг., прогнозируемый на основании климатического прогноза и с учетом эффекта от дальнейшего заморенивания ледника, равен -8600 мм водэкв., что соответствует норме баланса в -590 мм/год; годовой объем жидкого ледникового стока за этот период будет варьировать от 8,9 до 12,5 млн м3, означая 16-62%-ый прирост относительно настоящего.

поверхности на языке по сравнению с прогнозируемой реакцией на чисто климатический сигнал, тем самым вызвав эффект, соизмеримый с влиянием изменения климата на водно-ледовые ресурсы и рельеф ледника.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют оценить влияние, которое по мере своего разрастания по площади и увеличения толщины поверхностная морена оказывает на происходящие на поверхности ледника процессы, а также нелинейность этого влияния, из чего следует невозможность пренебрежения им при расчете режимных характеристик ледников и при прогнозировании объемов ледникового стока.

Апробация работы. Основные выводы и положении диссертации были представлены и обсуждались на международных конференциях по фундаментальным наукам «Ломоносов-2007» и «Ломоносов-2008», IV конгрессе Международной Геосферно-Биосферной Программы (Кейптаун, 2008), конференции по измерению баланса массы и моделированию (Скейкампен, 2008), международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века» (Москва, 2010), ассамблее Европейского Геофизического общества (Вена, 2012 и 2013), на встречах международных рабочих групп в университетах Рединга (2008) и Мюнхена (2009). По теме диссертации в изданиях из списка ВАК опубликованы две научные работы. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 160 страниц машинописного текста, в том числе 83 рисунка, 7 таблиц и список литературы, включающий 252 наименования.

Благодарности. Автор выражает признательность сотрудникам кафедры криолитолоши и гляциологии географического факультета МГУ и ее заведующему, профессору В.Н.Конищеву, аспирантов АПРевокатову, ВГЛастухова, к.г.н. М.Н.Иванова, оказавших ценную помощь при написании отдельных разделов диссертации. Написание диссертации было бы немыслимым без помощи, руководства и постоянной поддержки на всех этапах исследования доцента кафедры криолитологии и гляциологии МГУ кандидата географических наук В.В.Поповнина. Автор выражает благодарность фондам РФФИ (гранты 06-05-64094а, 09-05-01182а, 12-05-00491а) и Еи ЮТАБ (проект 06-1000017-8608) за предоставление финансирования для осуществления исследований по теме диссертации.

Глава 1.

Общие вопросы существования моренного покрова

§1. Закономерности формирования покрова поверхностной морены на горных ледниках

Весь инородный минеральный материал, от крупных каменных глыб до мелкой пыли,

попавший в тело какого-либо ледника и движущийся вместе со льдом, принято именовать

мореной. Термин этот (la moraine, по-видимому, от латинского слова morena—каменная насыпь)

заимствован у швейцарских горцев, жителей Савойи.

Морены, участвующие в перемещении ледника, называются движущимися (влекомыми),

а те из них, которые уже прекратили свое движение, — отложенными (рис. 1). Первые

характеризуют транспортную деятельность ледника, вторые — деятельность аккумулятивную.

Каждая отложенная морена обязательно проходит стадию движущейся [Колесник, 1963].

Рис. 1. Влекомые и отложенные морены, связанные с наземными ледниками: 1 - конечная морена; 2 - абляционная морена; 3 - поверхностная морена течения (флоу-тилл); 4 - внутренняя морена (производная от придонной); 5 - поверхностная морена вытаивания; 6 - внутренняя морена (производная от поверхностнспі); 7- придонная морена; 8 - основная морена [Колесник, 1963].

Движущиеся морены, сообразно с их положением в леднике, разделяются на поверхностные, внутренние и донные (нижние). Все виды хорошо развиты только у горнодолинных ледников, тогда как ледниковые покровы влекут главным образом придонную морену, сосредоточенную в толще так называемого мореносодержащего льда.

Поверхностные морены образуются в результате падения обломков горных пород со склонов долины на ледник, вытаивания внутренней морены и в отдельных случаях выдавливания донной морены на поверхность. Выше снеговой линии (в пределах фирнового бассейна) эли обломки падают в бергшруцд или же погребаются под толщами снега. Следовательно, в области питания обломочный материал непосредственно на поверхности ледников, как правило, отсутствует (исключая отложение меренного материала вследствие особо крупных каменных обвалов). Он появляется лишь ниже границы питания, т.е. в области абляции, где формирует транспортируемые боковые и срединные мерены. Обломки, попадающие на ледник, достигают подчас огромных размеров (рис. 2).

Рис. 2. Каменная глыба в области питания ледника Джанкуат. На фото - автор.

Постоянным источником питания поверхностных морен обломочным материалом являются обнаженные участки склонов долин. Камнепады и обвалы доставляют на ледник обломочный материал непосредственно; огромные его количества могут единовременно поступать вследствие горного обвала (такая морена называется обвачьнои). В условиях холодного к�

Информация о работе

Резепкин, Алексей Александрович
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.31

Диссертация

Поверхностная морена как фактор эволюции горного ледника - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы