Особенности мониторинга динамически нестабильных ледников
В.М. Котляков, Г.Б. Осипова, Д.Г. Цветков
Институт географии РАН, Москва
Статья поступила в редакцию 31 октября 2005 г. Представлена членом редколлегии А.Ф. Глазовским
Обоснована необходимость разработки и внедрения системы гляциологического мониторинга динамически нестабильных ледников. На примере многолетних наблюдений на пульсирующем леднике Медвежьем (Памир) предлагаются основные параметры и методы, необходимые для оценки активизации и прогноза эволюции таких ледников.
Введение
В последние годы участились случаи стихийных бедствий, связанных с нивально-гляциальными явлениями. Одна из причин таких катастроф — подвижки пульсирующих ледников. Несмотря на большое количество публикаций на эту тему, до сих пор отсутствует полное понимание указанного явления. Нам неизвестно каких-либо научно обоснованных программ или предложений по мониторингу таких ледников. Даже Всемирная служба мониторинга ледников (WGMS) в своих сборниках по их колебаниям за пятилетия (FOG) ограничивается лишь описанием в произвольной форме имевших место подвижек и не дает никаких рекомендаций для целенаправленных наблюдений за нестабильными ледниками. Однако ясно, что наблюдения за ними необходимы не только в научных целях, но в первую очередь для прогноза связанных с такими ледниками катастрофических явлений. Подвижка печально известного кавказского ледника Колка в 2002 г. наглядно показала, чего можно ожидать от пульсирующих ледников в отсутствие специальной системы (службы) мониторинга, предназначенной для оценки их состояния и прогноза подвижек [14, 19].
Таким образом, необходима разработка научно обоснованной концепции гляциологического мониторинга динамически нестабильных ледников и привлечения государственных органов к выполнению соответствующей программы. В отличие от «обычных» ледников, колебания которых обусловлены в основном изменениями климатических условий, режим динамически нестабильных (в том числе пульсирующих) ледников определяется в первую очередь неустойчивостью их внутреннего массообмена. Причинами такой неустойчивости могут быть: систематическое превышение прихода льда над его расходом, прорывы подледниковых вод, мощные лавины или обвалы льда и камней со склонов, аномально высокая абляция или аккумуляция, взаимное под-пруживание основного ствола и притоков и др.
О внезапных быстрых продвижениях ледников в разных горно-ледниковых районах Земли было известно давно [6]. Однако детальное изучение этого явления началось лишь во второй половине XX в.,
когда стало ясно, что подвижки ледников не случайны, а происходят вследствие динамической неустойчивости самих ледниковых систем [5, 15, 27]. Ледники, которым были свойственны периодические подвижки, в зарубежной литературе получили названия «surging glaciers» [25] и в отечественной — «пульсирующие» [10]. Для их исследования использовались: 1) наземные и дистанционные натурные наблюдения; 2) физические методы и математическое моделирование; 3) статистические подходы.
Однако сложность невыявленных пока взаимосвязей внешнего и внутреннего массобмена пульсирующих ледников заставляет и в настоящее время отдавать предпочтение натурным наблюдениям за их динамикой с целью своевременного предупреждения возможных катастроф.
Мониторинг пульсирующего ледника Медвежьего
Основные принципы комплексного мониторинга отрабатывались специалистами Института географии РАН на леднике Медвежьем на Памире (рис. 1). Более 40 лет проводились исследования кинематики поверхности этого ледника с использованием наземных, воздушных и космических методов, что позволило впервые количественно охарактеризовать его режим на протяжении нескольких периодов пульсаций и разработать основы мониторинга пульсирующих ледников и прогноза их подвижек. С помощью анализа пространственно-временных рядов изменения высоты поверхности (АН) и скорости движения льда (Vr), полученных в процессе (и особенно в конце) двух стадий восстановления ледника Медвежьего (1964-1972 и 1974-1988 гг.), были выявлены характерные признаки приближения подвижек.
Изменение высоты поверхности. На рис. 2 представлен комплект наиболее полных и доброкачественных данных за 1968-1991 гг. по изменению высоты поверхности ледника АН, полученных на протяжении трех стадий восстановления с интервалами от 1 до 3 лет. Исходными материалами служили результаты обработки повторных фототеодолитных съемок 1970-1975, 1977-1979, 1983 и 1985 гг.; аэрофотосъемок 1968 и 1988-1991 гг.; геодезических определений высоты точек, замаркированных в 1980 и 1981 гг.
Рис. 1. Ледник Медвежий. План 1968 г. с продольным профилем, по которому проводились измерения высоты поверхности и скорости движения льда: 1 — граница ледника в 1968 г., 2 — береговые морены, 3 — лавинные конусы, 4 — горизонтали (в м), 5 — нунатаки, 6 — хребты, 7 — ледораздел, 8 — «прилавки» (террасы оседания), 9 — продольный профиль, в км от условного нуля (подножье ледопада); врезка — снимок языка ледника, полученный с МКС в июне 2002 г. Левее конца ледника видны остатки моренных отложений подвижек 1963 и 1973 гг.
Fig. 1. The Medvezhiy Glacier. Plan of 1968 with longitudinal profile along which measurements of surface elevation and ice motion velocity were carried out: 1 — glacier boundary in 1968, 2 — flank moraines, 3 — avalanche cones, 4 — contour lines, 5 — nunataks, 6 — ridges, 7 — ice divide, 8 — settling terraces, 9 — longitudinal profile, in km from conventional zero (foot of icefall); box — image of glacier tongue obtained from ISS in June 2002. To the left of the glacier terminus remains of moraine deposits of surges of 1963 and 1973 can be observed
При сопоставлении топографических съемок использовали до 70—80 точек с постоянными координатами X, Y по продольному профилю ледника (см. рис. 1).
Анализ всего многолетнего ряда АН показывает, что нарастание и перераспределение массы вдоль пульсирующей части ледника идет непрерывно. Масса нарастает в результате регулярного поступления льда из фирновой области через ледопад и лавин со склонов. Из-за сопротивления мертвого льда в передовой части приходящего сверху активного льда образуется зона продольного сжатия — вертикального растяжения, которая в рельефе поверхности выражается крутым уступом — лбом. Его высота (превышение над уровнем нижнего по течению участка зоны деградации) может достигать в отдельные годы 50—60 м (рис. 2г, н).
Максимальное повышение поверхности имеет место в первый после подвижки год стадии восстановления, причем величина АН и дальность продвижения зоны ее положительных значений зависят от высотных изменений в предшествующую подвижку. Так, в 1989/90 гг. среднее и максимальное повышение поверхности в верховьях пульсирующей части (рис. 2о) были примерно вдвое меньше, чем в 1973/74 гг. (рис. 2г). Это связано со значительно большим понижением поверхности в зоне оттока во время подвижки 1973 г. по срав-
нению с 1989 г. Однако, поскольку ежегодный приход льда из фирновой области примерно одинаков, повышение поверхности распространилось на большую часть языка: фронт активизации продвинулся за 1989—1990 гг. на Х=2,7 км, а в первый год после подвижки 1973 г. — всего на 1,7 км.
По мере того, как повышение поверхности охватывает все большую часть ледника, уменьшается скорость этого процесса и замедляется продвижение фронта активизации. К сожалению, перед подвижкой 1988 г. ежегодных наблюдений за изменением высоты поверхности не проводилось. Итоговые за 3 года ее изменения (рис. 2н) показывают, что в этот период (вероятнее всего в его конце) началось перераспределение массы льда — на участке Х=0—2 км поверхность ледника понизилась, а в нижней части языка (Х=2—6 км) повысилась, причем фронт активизации за 1985—1988 гг. продвинулся всего на 450 м (по 150 м в год). Происходило как бы «накачивание» льда в нижнюю часть зоны активизации, частично за счет ежегодного прихода льда из фирновой области, а частично (вероятно, в последний год) — за счет его прихода из верховьев активной зоны, т.е. практически началась подвижка, хотя язык ледника еще оставался неподвижным.
АН, м
Рис. 2. Изменения высоты поверхности языка ледника Медвежьего по продольному профилю за разные балансовые годы трех стадий восстановления: а — 1968-1970, б — 1970/71, в — 1971/72, г — 1973/74, д — 1974/75, е — 1 975- 1 977, ж — 1977/78, з — 1978/79, и — 1979/80, к — 1980/81, л — 1981-1983, м — 1983-1985, н — 1985-1988, о — 1989/90, п — 1990/91 Fig. 2. Changes of surface elevation of the Medvezhiy Glacier tongue along longitudinal profile over different balance years of three stages of restoration: a — 1968-1970, б — 1 970/7 1, в — 1 97 1 /72, г — 1 973/74, д — 1 974/75, е — 1 975- 1 977, ж — 1977/78, з — 1978/79, и — 1979/80, к — 1980/81, л — 1981/1983, м — 1983-1985, н — 1985-1988, о — 1989/90, п — 1990/91
Инструментальное исследование кинематики поверхности ледника в стадию подвижки 1988—1989 гг. (рис. 3) было основано на обработке и анализе серии повторных аэрофотосъемок (АФС), начатых весной 1988 г. и продолжавшихся до 1989 г. Частично полученные тогда снимки опубликованы в [4]. Уже по данным первой АФС 21 июня 1988 г. было видно, что верхние 4,7 км поверхности языка сильно разбиты поперечными трещинами. Ниже морфологически выраженного дугообразного поперечного вала, окаймляющего разбитую трещинами (активную) часть ледника, поверхность была более спокойной, почти без трещин, сильно заморенена, и по ней протекал ручей. По сравнению с 1985 г., когда проводилась предыдущая фототеодолитная съемка ледника, в верховьях пульсирующей части уровень поверхности фактически достиг критического уровня 1972 г., однако ниже Ь=5 км еще имел место значительный дефицит массы. Несмотря на это, фронт активизации, продвинувшись за 2,5 года (осень 1985 г. — конец июня 1988 г.) на 450 м, нахо-
120 80 40
876543210
Рис. 3. Изменения высоты поверхности языка ледника Медвежьего по продольному профилю во время подвижки 1988-1989 гг. за разные интервалы времени: а — 21.06-13.09.1988, б — 13.09.1988-23.03.1989, в — 23.03-20.04, г — 20
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.