УДК 551.324.3
Гидротермическая структура и подледниковая дренажная сеть ледника Тавле на Шпицбергене
© 2011 г. И.И. Лаврентьев1, Ю.Я. Мачерет1, П. Холмлунд2, А.Ф. Глазовский1
1Институт географии РАН, Москва, Стокгольмский университет ilavrentiev@gmail.com
Статья принята к печати 10 ноября 2010 г.
Гидротермическая структура, подледниковая дренажная сеть, радиозондирование, толщина льда, Шпицберген.
Hydrothermal structure, ice thickness, radio-echo sounding, subglacial drainage system, Svalbard.
Весной и летом 2007 г. на долинном леднике Тавле, расположенном на Земле Норденшельда в центральной части Шпицбергена, одновременно были выполнены GPS-измерения высоты ледниковой поверхности и измерения толщины льда радиолокационным методом с использованием локаторов с центральными частотами 850 и 20 МГц. Данные радиозондирования свидетельствуют о наличии придонного слоя тёплого льда на большей части ледника. Максимальная и средняя измеренная толщина ледника составила 130 и 93 м, а тёплого ледяного ядра - 50 и 20 м соответственно. Цифровые модели рельефа поверхности ложа ледника использовались для определения изменений размеров ледника за 1936-2007 гг., для вычисления гидравлического потенциала и моделирования подледниковой дренажной гидрологической сети при различном давлении воды на ложе. Установлено практически 10-кратное увеличение скорости сокращения площади ледника с 1990 по 2007 г. При этом заметно выросли число и площадь замкнутых локальных минимумов в поле рассчитанного гидравлического потенциала, где может концентрироваться текущая по ложу вода.
Введение
Архипелаг Шпицберген — уникальный район современного оледенения в северо-западной части Евразийской Арктики. Благодаря сочетанию климатических и орографических условий здесь распространены ледники разных морфологических типов с различным гидротермическим состоянием и режимом [4]. По данным каталогизации [10], на архипелаге установлено 2128 ледников, которые занимают площадь около 36 591 км2. По оценкам [8], многие из них относятся к ледникам политермического типа, имеющим двухслойную гидротермическую структуру: сухой холодный лёд вверху и тёплый водосодер-жащий лёд внизу. Надёжный индикатор таких ледников — отражения от внутреннего отражающего горизонта (ВОГ) на частотах от 20 до 620 МГц [2, 4], которые регистрируются на значительном протяжении профилей наземного и аэрорадиозондирования и по данным термозондирования в скважинах согласуются с глубиной изотермы 0 °С [9, 11]. Отметим, что лучшее соответствие получено при зондировании на частотах более 300 МГц.
По данным радиозондирования [8], на Шпицбергене выявлено 145 ледников с ВОГ. Толщина большинства из них составляет свыше 200 м, а расположены они в северной и южной частях о. Западный Шпицберген. В центральной части острова, включая Землю Норденшельда, ранее такие ледники обнаружены не были; считалось, что здесь преобладают ледники холодного типа [4].
Весной и летом 2007 г. на долинном леднике Тавле площадью 9,15 км2, расположенном в западной части Земли Норденшельда, в верховьях долины Грёндален (рис. 1), для исследования его строения и гидротермического состояния были проведены наземные радиолокационные измерения.
Аппаратура, методика исследований и обработки полученных данных
Радиолокационные измерения весной 2007 г. велись с помощью шведского локатора с синтезированной частотой 850 МГц [7], летом 2007 г. — оноимпульсным локатором ВИРЛ-6 с центральной частотой 20 МГц (модификация локатора ВИРЛ-2) [15]. Оба локатора имеют системы одновременной цифровой регистрации радарных и навигационных GPS-измерений. Для транспортировки локаторов по леднику весной использовался снегоход с грузовыми санями, летом — два станковых рюкзака. Радарные и GPS-данные записывались в автоматическом режиме с интервалом 0,2 и 2 с соответственно. Учитывая разный интервал записи, применялась процедура временной интерполяции GPS-данных, что обеспечивало привязку каждой радарной трассы.
Визуализацию и обработку полученных радиолокационных и навигационных данных вели с помощью пакета программ ЯаёехРго Plus производства «GDS Production» [1], разработанного для интерпретации цифровых сейсмических и радио-
Рис. 2. Профили радиозондирования на леднике Тавле:
1 - контур ледника, 2006 г.; 2 - изогипсы поверхности ледника, 2007 г.; 3 - радиолокационное зондирование, весна 2007 г.; 4 - то же, летом 2007 г.
Fig. 2. Radio-echo sounding profiles of Tavlebreen:
1 - glacier area, 2006; 2 - contour lines of ice surface in 2007; 3 - RES, spring 2007; 4 - RES, summer 2007
локационных данных с использованием персональных компьютеров. Пакет программ включает в себя систему модулей, которые служат для ввода исходных радарных данных, их оптимальной визуализации, геопривязки, оцифровки времён запаздывания отражённых сигналов от ложа и внутренней отражающей границы и построения профилей высоты поверхности, толщины льда и положения отражающей границы.
Анализ имеющихся топографических карт, космических снимков, данных о высоте поверхности, полученных с помощью GPS, а также построение цифровых моделей поверхности и ложа ледника вели с помощью программного обеспечения ESRI ArcMAP. Положение профилей радиозондирования 2007 г. показано на рис. 2.
Результаты
На большей части профилей зондирования при измерениях с локатором частотой 850 МГц, кроме отражений от ложа, зарегистрированы отражения от границы раздела холодного и тёплого льда (рис. 3). С применением аналогичного локатора подобные отражения были получены ранее на политермическом леднике Стур в Швеции с глубин, совпадающих с точностью ±1 м с глубиной изотермы 0 °С [13]. Это позволило предположить, что ледник Тавле также можно отнести к политермическому и определить толщину верхнего слоя холодного льда и придонного слоя тёплого льда.
При измерениях с локатором 20 МГц из-за большого фона помех идентифицированы только отражения от ложа. Сравнение весенних и летних радарных и GPS-данных о высоте поверхности ледника показало их хорошее совпадение: в 26 точках пересечения профилей расхождение в обоих случаях не превышало ±1 м. Для 2007 г. построены цифровые модели рельефа высоты поверхности и ложа ледника, карта толщины ледника и определены глубина, толщина и положение тёплого ледяного ядра (рис. 4). По данным радиозондирования, средняя и максимальная толщина ледника Тавле в 2007 г. составляла 93 и 130 м, а средняя и наибольшая толщина придонного слоя тёплого льда — 20 и 50 м соответственно.
Цифровые модели высоты поверхности и ложа использованы для реконструкции по величине гидравлического потенциала ф [6] картины подлед-никового дренажа, возможных путей стока и мест скопления подледниковой воды:
ф = р^ + fp, g(H - B), (1)
где f — давление воды на ложе, выраженное в долях давления перекрывающего льда (f принимает значения от 0 до 1, которые отвечают течению воды при
Wpft Wpt2
О 1600 3230
Расстояние, м
Рис. 3. Пример радарной записи, полученной на леднике Тав-ле с применением шведского локатора с синтезированной частотой 85G МГц вдоль профиля Wpt1-Wpt2 (показан на рис. 2): 1 — слой холодного льда; 2 — слой тёплого льда; 3 — отражения от ложа
Fig. 3. Data example of Swedish step-frequency 85G MHz radar on Tavlebreen along Wpt1—Wpt2 profile (shown on Fig. 2): 1 — cold ice layer; 2 — temperate ice layer; 3 — bedrock reflections
атмосферном давлении и при давлении всего перекрывающего льда соответственно); Н - высота поверхности, м; В — высота ложа, м; pw и p(- — соответственно плотность воды и льда, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Такая реконструкция выполнена для трёх временных срезов с использованием ЦМР ложа и поверхности ледника для 1936, 1990 и 2007 гг. (рис. 5).
Норвежские топографические карты 1936 и 1990 гг. и данные комической съёмки 2007 г. со спутника Terra использовались также для определения границ и площади ледника в 1936, 1990 и 2007 гг. и их изменений за 1936—1990 и 1990—2007 гг. Площадь ледника в 1936 г. составляла 11,73 км2, в 1990 г. — 10,90 км2, в 2007 г. — 9,15 км2 [2]. Анализ показал, что в 1990—2007 гг. скорости отступания языка ледника и уменьшения площади ледника увеличились почти на порядок — соответственно с 2,2 до 18,7 м/год и с 0,017 до 0,102 км2/год. Скорость снижения поверхности ледника, т.е. скорость его утончения в 1936—1990 и 1990—2007 гг., возросла с 0,68 до 1,2 м/год соответственно. Уменьшение толщины происходило неравномерно: в нижней части ледника его поверхность понизилась почти на 40 м, а в верхней части изменилась незначительно. Это отразилось и на картине реконструированной дренажной сети для 1936, 1990 и 2007 гг. В 2007 г. по сравнению с 1990 г. (см. рис. 5) заметно увеличились число и особенно площадь замкнутых минимумов в поле гидравлического потенциала, соответствующих местам возможного скопления воды на ложе.
Рис. 4. Строение ледника Тавле по данным наземного радиозондирования:
а - общая толщина льда; б - рельеф ложа; в - толщина придонного слоя тёплого льда; г - толщина холодного слоя льда Fig. 4. Structure of Tavlebreen from ground base radio-echo sounding data:
а - total ice thickness; б - bedrock topography; в - thickness of near-bottom temperate ice layer; г - thickness of cold ice layer
15 *4' 15°12'в.д. 15°4' 15°12'в.д.
Рис. 5. Подледниковая дренажная сеть ледника Тавле по результатам расчётов гидравлического потенциала при f = 1 в 1990 г. (а) и 2007 г. (б):
1 - контур ледника, 2006 г.; 2 - ледниковые колодцы; 3 - участки концентрации воды на ложе; 4 - подледниковая гидрологическая сеть
Fig. 5. Subglacial drainage system of Tavlebreen based on modeled hydraulic potential whenf = 1 in 1990 (a) and 2007 (б): 1 - glacier area, 2006; 2 - moulins; 3 - sites of water concentration on bedrock; 4 - subglacial hydrological system
Обсуждение
Рисунок подледниковой дренажной сети в пределах тёплого ледяного ядра согласуется с расположением ледниковых колодцев на поверхности ледника Тавле, через которые происходит основной дренаж талой воды.
Реконструированная картина подледниковой дренажной сети на двух других полите
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.