Подледниковые потоки являются каналами талой ледниковой воды, которые текут у основания ледников и ледяных шапок . [1] Талая вода с ледниковой поверхности движется вниз по всему леднику, образуя внутриледниковую дренажную систему, состоящую из сети проходов, которые в конечном итоге достигают коренной породы внизу, где они образуют подледниковые потоки. [1] Подледниковые потоки образуют систему туннелей и взаимосвязанных полостей и каналов, в которых вода течет под экстремальным давлением со льда выше; в результате направление потока определяется градиентом давления со стороны льда и рельефом ложа, а не гравитацией. [1] Подледниковые потоки образуют динамическую систему, которая реагирует на изменяющиеся условия, и система может значительно меняться в ответ на сезонные колебания талой воды и температуры. [2] Вода из подледниковых потоков направляется к ледниковому концу , где она выходит из ледника. [2] Сброс из подледниковых ручьев может оказать значительное влияние на местные, а в некоторых случаях и на глобальные, экологические и геологические условия. [3] Отложения, питательные вещества и органические вещества, содержащиеся в талой воде, могут оказывать влияние на условия ниже по течению и морские условия. [4] Изменение климата может оказать значительное влияние на системы подледниковых ручьев, увеличивая объем талой воды, поступающей в подледниковые дренажные системы, и влияя на их гидрологию . [2]
Подледниковые потоки получают воду из двух источников: талая вода, переносимая с вершины ледника, и талая вода из ледникового ложа. [2] Когда температуры достаточно высоки, чтобы вызвать таяние на поверхности ледника, как правило, летом, вода стекает вниз в ледник. [2] Поверхностная талая вода течет вниз по миллиметровым каналам, которые соединяются в сеть притоков, увеличиваясь в размерах, пока не достигают коренной породы. [1] Кроме того, часть воды переносится на поверхность по муленам (большим вертикальным шахтам шириной до десяти метров, которые простираются от поверхности до более низкой отметки, иногда вплоть до ледникового ложа). [5] [1] Трещины, расщелины и полости между ледниками и стенками долин также могут обеспечивать пути для воды, чтобы достичь ложа. [5] В то время как поверхностная талая вода может зависеть от сезона, ложа умеренных ледников поддерживаются в точке плавления под давлением (сочетание температуры и давления, при котором тает лед). [2] Эта жидкая вода на дне, присутствующая в умеренных, но не полярных ледниках, обеспечивает постоянный приток воды в подледниковые системы рек. [2] Вода из этих двух источников встречается и концентрируется в основании ледника, где давление льда сверху заставляет ее двигаться к ледниковому концу, создавая сеть проходов по мере того, как она прокладывает себе путь из ледника. [2]
Вода в подледниковых потоках подвергается большому давлению со стороны массы льда, находящейся выше; в результате направление потока воды нельзя объяснить так же, как в типичных поверхностных потоках. [2] Подледниковый поток воды в значительной степени определяется градиентами давления, создаваемыми весом и движением ледника. [1] В результате, вместо того, чтобы следовать уклону ложа, потоки могут течь вверх и поперек склонов. [2] Такое поведение можно описать, рассматривая давление внутри ледников как эквипотенциальные поверхности; по мере того, как вода выталкивается из областей высокого давления в области низкого давления, она движется в направлении, нормальном к этим поверхностям. [1]
Подледниковые системы рек можно разделить на две категории в зависимости от расположения и типа проходов, составляющих систему: канализированные и распределенные. [5]
Канальные дренажные системы характеризуются водой, текущей преимущественно через туннели вдоль ложа ледника, которые быстро и напрямую доставляют талую воду к ледниковому концу. [5] Эти туннели организованы в сеть притоков, соединяющихся вместе и увеличивающихся в размерах по мере приближения к концу. [2] Вода в этих системах быстро движется, и давление внутри каналов относительно низкое по сравнению с давлением во льду вокруг них. [5] Турбулентность в быстром потоке производит тепло, которое способно растопить ледяные стенки туннелей. [5] Хотя общее количество воды, добавленной в систему этим процессом, незначительно по сравнению с водой с поверхности и от базального таяния, таяние стенок канала позволяет каналу оставаться открытым, даже когда давление льда вокруг него намного превышает давление воды внутри. [5] Постоянная эрозия стенок туннеля способна компенсировать сужение туннеля, вызванное деформацией льда. [5] В зависимости от водоснабжения и характеристик ложа туннели могут принимать разные формы, включая полукруглые туннели, прорезающие лед, широкие и низкие туннели и туннели, прорезающие ложе, а не лед. [2] Широкие и низкие туннели образуются в каналах с различным количеством талой воды, поскольку таяние концентрируется на стенках туннеля, а не на потолке, когда туннель не полностью заполнен водой. [2] Каналы, которые поддерживают долгосрочную стабильность потока воды и местоположения, могут со временем размывать коренную породу, в результате чего туннели прорезают ложе, а не лед над ним. [2]
Распределенные дренажные системы могут состоять из сети связанных полостей, пористого потока и каналов в осадке и тонкой пленки между льдом и ложем. [5] Пленки воды между льдом и коренной породой редко бывают толще десятков микрометров и образуются в областях, которые изолированы от каналов и полостей, поддерживаются при температуре плавления под давлением и находятся над непроницаемым ложем. [2] Поток в пленках не учитывает большую часть общего потока талой воды из ледника, но может быть важен при скользящем движении ледников . [2] В случаях, когда ледники находятся над пористым, неконсолидированным осадком, часть воды может протекать через осадок; подобно пленочному потоку, пористый поток не учитывает большую часть потока воды в системе. [2] Когда ложе деформируется, на поверхности осадка могут образовываться широкие, неглубокие каналы шириной до 10 см, увенчанные ледниковым льдом. [2] [6] В ледниках с крутыми склонами системы каналов нестабильны, так как они могут быть легко поглощены каналами над осадком. [6] Когда ледники движутся по неровностям в коренной породе, разница в давлении может отделить лед от ложа за неровностью, если ледник движется достаточно быстро. [2] [1] Это создает полости между ледником и ложем, которые заполняются водой. [2] Если давление воды достаточно высокое, полость расширяется, и вода может вызвать большее разделение между льдом и ложем, окружающим полость. [1] При постоянном водоснабжении между полостями образуются небольшие проходы, создавая большую сеть связанных полостей, между которыми течет вода. [1] Вода в связанных системах полостей течет, в среднем, в направлении, нормальном к эквипотенциальным поверхностям давления в леднике. [1] Однако пройденный путь длинный и непрямой, и иногда вода может течь почти параллельно эквипотенциальным поверхностям. [1]
Структура систем подледниковых ручьев значительно меняется с течением времени в результате сезонных изменений объема и источника поступления талой воды. [5] Зимой в системах подледниковых ручьев преобладают распределенные ручьи. [5] Поскольку в этот сезон поверхностное таяние очень мало, почти вся талая вода образуется в результате базального таяния и высвобождения накопленной талой воды. [5] Оба этих источника включают небольшие количества воды, высвобождаемой относительно равномерно по всему ложу ледника, что делает маловероятным их образование крупных дренажных каналов. [2] Некоторые крупные туннели остаются в системе круглый год и являются основными точками сброса зимой, но система в целом характеризуется распределенным дренажем. [5] По мере повышения температуры и увеличения поверхностного таяния потока воды в ложе в конце весны, зимняя система ручьев нарушается. [2] Распределенные каналы потока, не имеющие возможности для увеличения объемов талой воды, испытывают повышение давления воды и дестабилизируются. [2] Высокое давление воды приводит к образованию более крупных туннелей — процесс, известный как канализация — которые имеют большую емкость для талой воды и позволяют давлению падать. [7] Это изменение может происходить постепенно или может быть вызвано событиями, которые быстро увеличивают поток талой воды, такими как последовательные дни сильного таяния или сильный ливень. [2] Теперь канализированная система увеличивается в размерах в течение лета, поскольку приток талой воды продолжает увеличиваться, при этом образуются новые проходы и увеличиваются в размерах. [2] Осенью поверхностное таяние уменьшается, и объем талой воды больше недостаточен для поддержания вновь образованных каналов; деформация окружающего льда медленно закрывает каналы, которые не генерируют достаточного трения таяния вдоль своих стенок, чтобы компенсировать закрытие. [2] В конце концов, распределенная система потоков снова становится доминирующей. [2] Некоторые постоянные каналы сохраняются в течение всего зимнего сезона, но каналы, образованные весной, исчезают — когда новые туннели снова образуются в следующем году, они не образуются в тех же местах, что и те, которые закрылись. [5]
Сброс подледниковых речных систем морских ледников в океан оказывает значительное влияние на объем и распределение ледникового таяния на конечной точке. [8] Сброс ледниковых ручьев в океан возникает в виде шлейфов, которые перемещаются к поверхности океана вдоль поверхности ледника, что может служить источником тепла для таяния ледников. [9] Таяние льда из-за шлейфов сброса оказывает значительное влияние в областях, в которых скорость сброса превышает 100 м 3 /с −1 ; при меньших скоростях сброса тепло, связанное со шлейфом, незначительно по сравнению с эффектами перемешивания океана. [9] Сезонная изменчивость играет важную роль в том, как подледниковые потоки влияют на таяние ледников. [10] Летом выход подледниковых потоков намного больше, в результате чего шлейфы становятся больше, быстрее и более плавучими, чем зимой. [10] В дополнение к большему объему сброса, увеличивающему таяние ледников, повышенная плавучесть струи приводит к большей турбулентности и, следовательно, большей передаче тепла леднику, что еще больше увеличивает таяние. [10] Влияние сброса подледникового потока на таяние ледников также зависит от типа подледниковой дренажной системы; распределенные подледниковые потоки приводят к выходу талой воды равномерно по всей линии заземления (где ледник переходит от заземленного к плавающему льду), тогда как канализированный сток приводит к отдельным крупным стокам. [8] Распределенный сток приводит к объемам талой воды, которые в пять раз больше, чем при канализированном стоке, поскольку отдельные сильные струи талой воды не так способны вызвать широкомасштабное таяние, как гораздо большее количество более мелких стоков. [8]
В умеренных ледниках, которые характеризуются наличием жидкой воды у своего основания и способны скользить, подледниковые потоки оказывают значительное влияние на движение ледников. Давление воды и трение, испытываемые у основания ледника, частично зависят от того, является ли подледниковая гидрологическая система канализированной или распределенной. [5] Канализированные системы являются эффективной формой дренажа, поскольку они способны быстро перемещать воду из ледника, снижая давление воды в системе. [5] При снижении давления воды под ледником трение между ледниковым льдом и коренной породой ниже увеличивается, замедляя движение ледника. [5] Распределенные системы потоков, напротив, характеризуются медленно движущейся водой в небольших полостях и проходах; когда поток воды в систему увеличивается, например, в периоды сильного таяния, система не может компенсировать это, что приводит к значительному увеличению давления базальной воды. [5] В результате трение между ледником и ложем уменьшается, а скорость скольжения ледника увеличивается. [5] Движение ледников также может вызывать изменения в системах подледниковых рек, и между ними существуют обратные связи. [7] По мере увеличения давления подледниковой воды увеличивается скорость скольжения ледника. Ледник сталкивается с неровностями в коренной породе во время скольжения: в результате между льдом и ложем образуются полости. [7] Ледник сталкивается с большим количеством неровностей из-за своей более высокой скорости, и поскольку лед, движущийся с более высокой скоростью, менее способен поддерживать связь с коренной породой, более быстро движущиеся ледники с большей вероятностью образуют полости при прохождении через неровности. [2] [1] Это увеличивает подледниковое пространство, которое может быть заполнено водой, уменьшая базальное давление воды. [7] Взаимодействие между движением ледников и подледниковой гидрологией создает отрицательную обратную связь, в которой повышенное давление воды под ледником увеличивает скорость скольжения ледника, что, в свою очередь, уменьшает давление и, следовательно, скорость скольжения. Благодаря этому механизму эффекты ускорения могут со временем ослабевать. [7] Другим фактором, контролирующим скорость ледникового скольжения, является процесс образования каналов. [7] Устойчиво высокие уровни поступления талой воды приводят к переходу от распределенной сети подледниковых потоков к более канализированной системе по мере развития более крупных проходов во льду. [7] Поскольку более крупные каналы способны более эффективно удалять воду из подледниковой системы, давление воды уменьшается, увеличивая трение между ледником и коренной породой и уменьшая скорость скольжения. [7]Канализация является наиболее значимым процессом в прекращении ускорения и отвечает за замедление скорости движения ледников в конце лета после ускорения, которое обычно наблюдается при увеличении потока талой воды весной. [7]
Подледниковые потоки переносят значительное количество органического вещества и питательных веществ, происходящих как из надледниковой талой воды, так и из подледниковых процессов. [4] Талая вода из надледниковой среды, содержащая микробно-продуцируемый растворенный органический углерод (РОУ), течет в ледники, в конечном итоге достигая подледниковых речных систем, которые выносят органическое вещество из ледника. [4] Этот источник РОУ дополняется органическим веществом, производимым в подледниковых экосистемах, где существуют разнообразные микробные сообщества. [4] Хотя концентрация растворенного органического вещества в ледниковой талой воде низкая, огромное количество пресноводного сброса с ледников делает РОУ ледникового происхождения важным источником биодоступного углерода для морских экосистем. [11] Только в заливе Аляска ледниковый сток обеспечивает 0,13 Тг органического углерода в год, большая часть которого перемещается через подледниковые потоки. [11] Подледниковые потоки также переносят различные другие важные питательные вещества. Геологические процессы, включая измельчение ледниками коренной породы и взаимодействие воды и горных пород, обеспечивают непрерывную подачу минералов в подледниковую систему. [4] [3] Например, железо, транспортируемое подледниковыми потоками, в основном поступает из подледникового выветривания и может быть причиной потока Fe, достаточно большого, чтобы существенно повлиять на химию мирового океана в геологических масштабах времени. [3] Биологические процессы также обеспечивают подледниковые потоки питательными веществами, при этом нитрификация и денитрификация микробами влияет на сообщества ниже по течению в периоды таяния. [4]
Подледниковые потоки могут переносить, откладывать и удалять осадки из ложа ледника; на этот процесс влияют водоснабжение, а также количество и характеристики имеющихся осадочных пород. [12] Размер частиц осадка, уклон русла подледникового потока и шероховатость ложа — все это влияет на то, мобилизуются ли осадки или откладываются. [12] Подледниковые наводнения могут привести к значительной эрозии и переносу осадка , а исследования, моделирующие подледниковые каналы, предполагают, что сезонный поток талой воды сам по себе может размывать коренную породу и переносить осадки размером с валуны. [12] Напротив, когда давление воды низкое, например, в конце сезона таяния, осадочные породы откладываются. [12] Когда поступление осадка достаточно велико, отложение осадка может образовать оз : удлиненный гребень осадка, который заполняет русло подледникового потока, в котором он образуется. [13] Эти озы могут быть временными, сохраняющимися только до тех пор, пока увеличивающееся давление воды во время следующего сезона таяния не вымоет осадок, или они могут быть постоянными. [12] Постоянное образование озов чаще встречается у отступающих ледников и ледяных щитов, поскольку их концы истончаются, что способствует отложению осадка. [12] Наступающие ледники и ледяные щиты демонстрируют более крутые концы, что увеличивает касательные напряжения и, следовательно, давление воды, что способствует вымыванию отложенных осадков из русел рек. [12]
Антропогенное изменение климата, вероятно, вызовет значительные изменения в системах подледниковых рек. Поскольку таяние ледников усиливается в результате повышения глобальной температуры, приток воды в подледниковые ручьи и сброс из них также увеличиваются. [11] Большее поступление воды из поверхностного таяния может повлиять на гидрологию подледниковых систем, изменяя сроки сезонных колебаний. [14] В результате увеличения талой воды, вызванного изменением климата, большие объемы воды, вероятно, достигнут ложа раньше в этом году. [14] Это приведет к тому, что переход от зимнего распределенного подледникового дренажа к летним канализированным потокам произойдет раньше в этом году. [14] Движение ледников также может быть затронуто: поскольку ледники, в которых преобладают канализированные системы, имеют меньшую скорость скольжения, более ранний переход к этой системе может привести к более медленному движению ледников. [14] Однако краткосрочные колебания объема и давления талой воды, которые могут стать более интенсивными по мере увеличения стока, могут компенсировать это уменьшение скольжения, вызывая локальные ускорения. [14] Увеличение объема сброса подледниковых потоков, вероятно, увеличит таяние ледников, заканчивающихся в море, поскольку скорость таяния подводных ледников очень чувствительна к объему подледникового сброса. [10]