Лёд и Снег • 2012 • № 4 (120)
УДК 913.1
Динамика поверхности над подледниковыми озёрами Антарктиды
© 2012 г. В.М. Котляков, Л.Н. Васильев, А.Б. Качалин, М.Ю. Москалевский, А.С. Тюфлин
Институт географии РАН, Москва leonid-vasiliev@yandex.ru
Статья принята к печати 7 июля 2012 г.
Антарктида, поверхность ледника, подледниковые озёра. Antarctica, subglacial lakes, ice surface.
Прогресс в понимании каскадов подледниковых озёр в Антарктиде и динамики их поверхности обязан проведению космических лазерных альтиметрических измерений ICESat. Морфологические и динамические признаки индицируют подледниковые озёра и положение их береговой линии. Колебания поверхности в переходных зонах периодичны, а изменения высот поверхности над подледниковыми озёрами носят случайный характер. Поведение поверхностей над каскадами подледниковых озёр в Антарктиде и их переходными зонами подобны. С технологической точки зрения работа обосновывает методику картографирования подледниковых озёр по лазерным космическим измерениям высот поверхности.
Введение
Подледниковая среда Антарктиды — мало исследованный природный комплекс. Проверка гипотезы, предполагающей, что активные гидрологические системы соединяют подледниковые озёра и определяют динамику ледникового покрова, вполне реальна при использовании радиолокационных, сейсмических и альтиметрических измерений. Частично решение этой задачи связано с пониманием роли активных подледнико-вых озёр, их временной изменчивости, динамики ледяных потоков и баланса масс [1]. К настоящему времени в Антарктиде обнаружено около 280 подледниковых озёр. Все они идентифицированы с помощью радиоэхозондирования. Значительное число публикаций посвящено анализу колебаний поверхности над подледниковыми озёрами, в том числе с использованием Ice, Cloud and land Elevation Satellite (ICESat) [2, 3, 5, 6, 8]. Однако происхождение озёр и их взаимодействие не ясны до сих пор [9].
Движение ледниковых масс в выводных ледниках и ледниковых потоках вдоль склонов над подледниковыми озёрами сопровождается образованием поверхности с устойчивыми морфологическими признаками в переходных зонах. В этих зонах при сходе с ледникового ложа на водную поверхность и обратно последовательно формируются траншеи (понижения) и валики (вздутия). Аналитического описания образования подобной поверхности нет, но удовлетворительное приближение получено при помощи термомеханической модели [7]. Переходные зоны определяют положение береговой линии под-ледникового озера, ширина которой составляет
1,5—3 км. Флуктуации поверхности над подледниковыми озёрами сопровождаются их деформацией и колебаниями высот в переходных зонах с амплитудами более 2 м. Высокочастотные колебания в переходных зонах могут быть связаны с неравномерным движением ледника поперёк линии налегания. В результате частота колебаний поверхности в переходных зонах возрастает. В ряде случаев эти колебания характеризуются периодичностью. Таким образом, поведение поверхностей над подледниковыми озёрами в частотном пространстве резко отличается от их поведения в переходных зонах.
Сочетание морфологических признаков поверхности над подледниковыми озёрами и динамических процессов в переходных зонах позволяет выделить устойчивые индикационные признаки для обнаружения подледниковых озёр. Эти индикационные признаки подтверждены при исследованиях на озёре Восток [2-4] и в озёрах бассейна Рекавери, обнаруженных методами радиоэхозон-дирования.
Флуктуации поверхности над озёром Восток
Изменения поверхности над оз. Восток определены по измерениям высот с помощью космической системы ICESat, запущенной на околоземную орбиту в январе 2003 г. на высоту 600 км с наклоном орбиты 94°, которая обеспечивает покрытие между 86° с.ш. и 86° ю.ш. Высоты поверхности измерялись лазерным альтиметром GLAS в ближней инфракрасной области при длине волны 1064 нм. Лазерный луч покрывает на ледовой поверхности пятно диаметром 50 м. Последовательность измерений вдоль про-
4 Лёд и Снег, № 4, 2012
- 97 -
Рис. 1. Контур береговой линии оз. Восток и покрытие треками ICESat
Fig. 1. Shoreline of Lake Vostok and ICESat tracks coverage
Рис. 2. Колебание высот поверхности над оз. Восток вдоль трека 330.
Координаты переходных зон — 22 и 125 км. Выделяются переходные зоны с осцилляциями в противофазе и амплитудами колебаний высот поверхности до 0,7 м Fig. 2. Fluctuation of surface above Lake Vostok along track 330. The coordinates of transition zones are 22 and 125 km. Oscillations in transition zones out of phase in the range 0.7 m are clearly seen
екции орбиты соответствует пространственной частоте 170 м. Точность измерения высот зависит от локальных уклонов поверхности. Для гладкой поверхности над оз. Восток с уклонами до 1' (угловая минута) среднеквадратическая ошибка измерений высот в отдельных 50-метровых элементах пространственного разрешения составляет 3 см. Цикл измерений определяется интервалом между повторным прохождением орбиты и составляет 91 день. Космическая система 1СБ8а1 прекратила измерения в конце 2009 г., выполнив повторные измерения высот в течение 15 кампаний. Положение проекций орбит (треков) над оз. Восток показано на рис. 1 на восходящих и нисходящих витках.
При интерполяции измерений между треками для вычисления высот по регулярной сетке
можно получить равномерную сеть высот точек, однако здесь следует проявлять осторожность, так как расстояния между соседними треками равны 12—20 км и интерполяция неизбежно приведёт к потере точности. Оценку флуктуаций поверхности над озером целесообразно начать с анализа изменений высот вдоль треков, где число измерений достигает 2000. Флуктуация поверхности вдоль трека 330 показана на рис. 2. Там же представлено положение вертикального профиля. Изменения профиля выражаются не только в общем подъёме или опускании, но и одновременно в локальной деформации поверхности. Низкочастотная флуктуация приводит к поднятию или опусканию всей поверхности. Наибольшие колебания происходят в переходных зонах на линии налегания. Высокочастотные осцилляции, возникающие главным образом из-за метелевого переноса снега и приводящие к его перераспределению, характеризуются локальным изменением высот по всей поверхности озера. Амплитуды флуктуаций определены в период с февраля 2004 по ноябрь 2008 г. вдоль проекций орбит 1СБ8а1 в течение 15 кампаний по 60 тыс. точек в каждой кампании со среднеквадратической ошибкой измерений 3—4 см. За короткий 4-летний период поверхность осциллирует относительно средней высоты. Однако поведение поверхности можно ассоциировать с признаками прерываемого равновесия, присущего явлению самоорганизованной критичности, весьма распространённому в различных природных процессах.
Совокупность локальных флуктуаций, пространственные размеры которых распределены в интервале 50-10000 м, представляет собой фрактальную динамическую структуру. Подобная динамическая структура сочетания дефляции и надува характеризуется степенным распределением динамических форм, возникающих на поверхности озера:
Щ(а) ос а-Б,
где а — площадь; Щ(а) — число элементов структуры с размером а; Б = 1,80 — фрактальная размерность.
Изменение высоты поверхности вдоль вертикального профиля может быть представлено в виде ДА = <А-,ж — А-,,) как среднее разности высот всех точек / профиля для последовательных измерений во время ,, ,+1. Объединение измерений по всем проходящим по поверхности озера трекам позволяет охарактеризовать флуктуацию поверхности над озером (см. рис. 2).
Измерения высот привели к новому представлению о форме поверхности над озером. Эта поверхность — не наклонная плоскость, качест-
■0,91754 -0,55259 -0,18764 0,17731 0,54226 0,90721 м
Рис. 3. Спектрограмма флуктуаций высот над оз. Восток вдоль трека 330 в период 13 кампаний с апреля 2004 г. по февраль 2008 г.
Ось абсцисс аналогична горизонтальной оси координат на рис. 2. Ось ординат соответствует времени измерений (кампаниям). Для большей наглядности шкала времени увеличена в 10 раз за счёт интерполяции измерений между кампаниями. Выделяются переходные зоны с осцилляциями в противофазе и амплитудами колебаний высот поверхности в интервале -0,7^- 0,7 м Fig. 3. Spectrogram of elevation change above Lake Vostok along track 330 for the period of 13 campaigns from April 2004 to February 2008.
The abscissa axis is analogous to the horizontal axis in Fig. 2. The ordinate axis corresponds to time of measurements (campaigns). For better visual representation, the time scale is magnified tenfold due to interpolation of measurements between the campaigns. The transition zones with out of phase oscillation and amplitudes of elevation change are in interval -0,7^0,7 m
венно её можно определить как каустическую поверхность. Она имеет множество перегибов как вдоль меридиональных, так и вдоль широтных направлений с перепадом высот около 40 м, а также локальные впадины. Уклоны поверхности вдоль склона поперёк озера могут быть отрицательными, достигая 0,5'. Направления склонов имеют чётко выраженное бимодальное распределение, которое показывает, что главные направления (азимуты) склонов отличаются на 140°. Флуктуации высот вдоль и поперёк поверхности над озером резко отличаются. Профили вертикальных сечений вдоль озера характеризуются поднятием и опусканием без деформации самого профиля, а колебания всех точек профиля происходят в одной фазе. Флуктуация профилей вертикального сечения поперёк озера сопровождается его деформацией. Это означает, что отдельные участки поверхности колеблются в противоположных фазах, т.е. отдельные части профиля имеют разные направления перемещения (поднятия и опускания). Наиболее контрастная разность фаз флуктуаций наблюдается над озером и за его пределами.
Используя результаты детальных измерений высот, мы определили проекцию береговой линии на ледниковую поверхность над озером и объяснили геометрическую связь положения береговой линии с перегибами на поверхности. Следует иметь в виду, что за счёт гидростати-
ческого равновесия высоты точек береговой линии имеют разные значения, отличающиеся
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.