ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 2, с. 230-234
УДК 551.465
ПЕРЕОХЛАЖДЕННАЯ ВОДА ОКОЛО ФРОНТА ЛЕДНИКА
НА ШПИЦБЕРГЕНЕ
© 2015 г. Е. Г. Морозов1, А. В. Марченко2, 3, Ю. В. Фомин4
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, 117997Москва, Нахимовский проспект, 36 E-mail: egmorozov@mail.ru 2Университетский центр Свальбарда, P.O. Box 156, Лонгирбин, N-9171 Шпицберген, Норвегия 3Государственнъш океанографический институт им. Н.Н. Зубова, 119034 Москва, Кропоткинский пер., 6 4Московский физико-технический институт, 141700Долгопрудный, Московская область, Институтский пер., 9 Поступила в редакцию 18.06.2014 г.; после доработки 16.07.2014 г.
Проведены измерения и анализ температуры и солености воды в непосредственной близости от фронта ледника Паула в Риндерс-фиорде на Шпицбергене в марте 2013 г. На расстоянии 15 м от ледника обнаружена вода со значительно меньшей соленостью, чем окружающие воды. Температура воды оказалась на 0.35°C меньше, чем температура замерзания. Этот эффект связан c вытеканием пресной воды из ледника в море. Вытекающая пресная вода попадает в окружающую среду морской воды с более низкой температурой и высокой соленостью и переохлаждается при подъеме к поверхности.
Ключевые слова: переохлаждение, фронт ледника, политермический ледник, Шпицберген, перемешивание вод.
DOI: 10.7868/S000235151502011X
ВВЕДЕНИЕ
В работе рассматриваются измерения температуры и солености воды в непосредственной близости от фронта ледника Паула (Paulabreen) в Рин-дерс-фиорде на Шпицбергене. Измерения выполнялись со льда в зимнее время.
Мы рассматриваем термохалинные свойства морской воды в условиях, близких к точке замерзания. Теория переохлаждения морской воды рассмотрена в работе [1]. Существуют три механизма переохлаждения воды: 1) отвод тепла;
2) различные скорости диффузии тепла и соли;
3) быстрое падение давления. Процессы, происходящие в воде около ледников, могут приводить к переохлаждению воды. В этой связи, введен специальный термин гляцио-гидравлическое переохлаждение (glaciohydraulic supercooling) [2]. Гляцио-гидравлическое переохлаждение происходит, когда вода быстро поднимается на меньшие глубины и охлаждается до температуры, достаточной для замерзания. Частным случаем этого эффекта является подъем и охлаждение воды с меньшей соленостью, чем соленость окружающей воды. Перемещение воды из области относительно высокого давления в область меньшего дав-
ления без одновременного выравнивания внутренней энергии может приводить к замерзанию [1, 2].
Условия для переохлаждения морской воды возникают при охлаждении воды до точки замерзания in situ за счет контакта со льдом на глубине. Если затем эта вода поднимается вверх туда, где локальная температура замерзания выше, то вода оказывается при температуре ниже точки замерзания [3], поскольку температура замерзания уменьшается при уменьшении давления. В работах [4, 5] показано, что плавающие ледники на шельфе могут быть источниками переохлажденной воды. Такое явление было обнаружено в данных CTD-зондирования [3, рис. 9] в морской воде около ледника. Морская вода оказалась холоднее точки замерзания на 0.01°C под плавающим льдом ледника, сползающего в океан в Антарктике.
Переохлажденная вода не может существовать длительное время и переходит в форму плателе-тов, шуги и наледи [6]. Наблюдения этого явления описаны в [7]. В работе [8] предложена модель и описаны полевые измерения около ледника Матануска на Аляске. Авторы утверждают, что гляцио-гидравлическое переохлаждение является важным механизмом роста ледникового льда из
(а)
(б)
81^ 80^
79^ 78^
770N 76^
0
V Риндерс -фиорд
6°Е 12°Е 18°Е 24°Е 30°Е
г^к.«
"1"--Ц-1-г
16° 10' 20' 30' 40' 50' 17° 10' 20'
78°
58'
56'
54'
52'
50'
48'
46'
44' 77°
Рис. 1. а — Карта архипелага Шпицберген; б — район ледника Паула.
Температура, °С 1.9 -1.7 -1.5 -1.3
Соленость, епс 22 26 30 34
Плотность 18 20 22 24 26 28
4 -
8 -
а н
б у
£ 12
16 -
20
12
16
20
0
4 -
8 -
12 -
16 -
20
Рис. 2. Вертикальные распределения температуры, солености и плотности по данным зондирования в марте 2013 г. Почти вертикально расположенные точки (1) соответствуют фоновым вертикальным распределениям температуры, солености и плотности по данным зондирования в 15 км от ледника; распределения (2) соответствуют измерениям в 15 м от фронта ледника.
0
0
4
8
переохлаждающейся воды, которая вытекает из внутренних дренажных систем ледника. Такая вода содержит взвешенные иглы-спикулы льда. Переохлаждение часто наблюдалось в полыньях [6, 9]. Вода переохлаждалась на 0.01-0.02°С с образованием шуги из ледяных иголок.
Лабораторные эксперименты образования льда в верхнем слое с малой соленостью, который охлаждается снизу более холодным и соленым слоем воды, описаны в [10]. Авторы показывают, что ледообразование усиливается, если в обоих слоях развита турбулентность.
Цель данной работы описать измерения, которые обнаружили переохлаждение воды в Рин-дерс-фиорде около фронта ледника Паула на Шпицбергене, и дать интерпретацию измерений. Измерения проводились при условиях, когда морская вода в фиорде около фронтальной стены холоднее, чем пресная вода, вытекающая из ледника. Пресная вода попадает в почти замерзающую морскую воду. Мы считаем, что такие измерения, которые обнаружили столь сильное переохлаждение около ледника, выполнены впервые.
1.2
1.4
О
св св
р
О С
о Н
1.6
1.8
-2.0
\ 8» „
V; ° 2 О
0 о V - о \ О °<#> р\ о \
о \
о
о
~ о
о 3 о о о о о 8 ° ° о 0 \ 4 ° о ®о о о Я? i^Aa0 а Ш п а_о "V1**, V
24
28 32
Соленость, епс
36
Рис. 3. T, 5-диаграмма измерений около ледника и вдали от него. Сплошная линия соответствует кривой зависимости температуры замерзания соленой воды от солености (по Millero, Leung, 1976). Квадрат — фоновое состояние вдали от ледника. Треугольники — измерения 2011 г. около ледника Паула в 50 м от фронта ледника при глубине 6 м. Маленькие кружки — измерения 2013 г. около ледника Паула на расстоянии 15 м от ледника при глубине 17 м. Цифры 2, 3 и 4 около больших кружков обозначают глубины измерений для измерений 2013 г.
ИЗМЕРЕНИЯ ОКОЛО ФРОНТА ЛЕДНИКА
Измерения проводились на Шпицбергене около ледника Паула в феврале 2011 г. и в марте 2013 г. Прибор опускался в просверленную лунку в ледяном покрове. Измерения профилей температуры и солености выполнялись СТЭ-профилографом (температура, соленость, глубина) SBE-19+.
Карта архипелага Шпицберген и район ледника Паула в Риндерс фиорде показаны на рис. 1.
Распределения температуры и солености с глубиной в открытых частях фиорда вдали от берегов в зимний период были практически однородные. Почти однородная вода по вертикали без скачка плотности способствует поднятию вверх пресной воды из ледника.
Зимой (март) 2013 г. измерения были проведены около ледника Паула в 15 м от его фронта на глубине 17 м. Станция была выполнена в русле фиорда. Было выполнено пять последовательных зондирований с интервалом две-три минуты. Зондирования вниз и вверх давали близкие результаты. На пятом зондировании трубка, по которой вода прокачивается мимо датчиков, забилась ледяными кристаллами, и регистрация правильных данных прекратилась.
Вертикальные распределения температуры, солености и плотности показаны на рис. 2. На фоне характерного изменения температуры и солености с глубиной имеется особенность в слое на глубине 2—4 м. Здесь отмечается повышенная температура до —1.29°С и понижение солености до 23.7 епс. Это сопровождается нестабильным распределением плотности по вертикали. Фоновые распределения температуры, солености и плотности по данным зондирования на станции в 15 км от ледника в Риндерс-фиорде показаны на графиках точками, расположенными почти по вертикали.
Температурно-соленостная зависимость по данным этих зондирований показана на рис. 3 кружками. На этом же рисунке нанесена зависимость температуры замерзания морской воды от солености по [11]. Большие кружки выделяют измерения на глубинах 2, 3 и 4 м. Подъем талой пресной воды в окружении более холодной морской воды приводит к ее переохлаждению до 0.35°С. Ядро переохлажденной воды расположено на глубине около 3 м. Представляется, что тем-пературно-соленостные характеристики воды глубже 4 м соответствуют почти однородному ее распределению. Струя талой пресной воды пред-
Рис. 4. Схема вытекающей пресной воды из ледника и измерения свойств воды около фронта ледника.
положительно вытекает из-под ледника, лежащего на грунте на глубине 17 м или из его средней части и, охлаждаясь, поднимается к поверхности.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Профили температуры и солености с глубиной были получены с помощью зондирования СТЭ-профилографом SBE-19 около фронта ледников. В зимнее время переохлажденная вода обнаружена в непосредственной близости от фронта ледника на глубине 2—4 м при глубине моря 17 м. Представляется, что талая пресная вода вытекает из ледника при температуре около 0°С. Пресная вода попадает в окружающую воду с температурой —1.8°С и, поднимаясь вверх, охлаждается до температуры замерзания и ниже за счет контакта с окружающей морской водой. Эта температура близка к точке замерзания морской воды при солености около 34 епс и заведомо ниже температуры замерзания пресной воды. Соленость воды, вытекающей из ледника, близка к нулю. Схема измерений около ледника показана на рис. 4.
Соленость пресной воды увеличивается за счет перемешивания с морской водой в фиорде. По мере того, как пресная вода из ледника вытекает из глубин с относительно высоким давлением и
поднимается на меньшие глубины с меньшим давлением, ее внутренняя энергия не достигает равновесного состояния в точке замерзания, которая также зависит от давления.
Внутреннее таяние наблюдается в политермических ледниках. Эти ледники состоят из верхнего слоя холодного льда и нижнего слоя теплого водосодержащего льда. На Шпицбергене такие ледники, оканчивающиеся в море, широко распространены [12, 13]. Среднее содержание воды в нижнем теплом слое таких ледников может превышать 0.1%. Часть накопленной в
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.