То, что вода является самым распространенным веществом на планете, известно каждому школьнику. Общеизвестно также, что вода может принимать три состояния: жидкое, твердое и газообразное.
Правда в настоящее время все чаще обсуждается (и исследуется) четвертая фаза – состояние воды, отличное от трех других. Еще в ХХ веке была обнаружена так называемая исключающая зона, в которой вода имела иную кристаллическую структуру, нежели у обычной воды.
Привычнее всего для нас воспринимать воду как жидкость, однако огромное ее количество на планете находится как раз в твердом состоянии, а именно в гигантских глыбах льда. Причем, это преимущественно пресная вода.
На первый взгляд кажется, что всем известный лед не представляет особого интереса. Но это только кажется. Мировые запасы льда – это ведущий климатообразующий фактор на планете, архив с бесценными данными о геологических эпохах Земли, а также потенциальный источник пресной воды.
Исследованием льда занимается специальная наука – гляциология. О том, что она собой представляет, каковы ее задачи и что является объектами ее изучения, расскажем в нашей статье с помощью главного специалиста Института географии Российской академии наук, почетного полярника Е.М. Зингера.
История возникновения «ледяной» науки
Наука о льдах – гляциология (от латинского glacies — лед и греческого logos — учение). Она появилась в конце XVIII в. Считается, что ее родиной являются Альпы. Это неудивительно, ведь в этих местах люди с незапамятных времен жили около ледников.
Однако серьезно исследованием ледников занялись только во второй половине XIX в. Причем изначально предметом изучения были именно массивы льда. Сегодня гляциология изучает также твердые осадки, снежный покров планеты, наледи. Итак, мы можем говорить, что гляциология – это наука обо всех видах льда, существующих на поверхности Земли, в атмосфере, гидросфере и литосфере. Это наука о природных системах, свойства и динамика которых определяются льдом.
Истоки гляциологии проистекают из гидрологии и геологии, поэтому до середины XX столетия она считалась частью гидрологии. В настоящее время гляциология – это самостоятельная научная отрасль, однако она тесно сопряжена с географией, гидрологией, геологией и геофизикой, а также с геокриологией.
Зачем нужна гляциология?
В центре внимания современной гляциологии находятся вопросы, связанные с пониманием места и значения снега и льда на нашей планете. Всем известно, что вода является самым распространенным веществом на Земле. И огромная ее доля содержится в гигантских ледниковых массивах.
Лед — одна из самых распространенных горных пород на нашей планете. Им занято больше 1/10 площади суши земного шара. Массивы льда очень сильно влияют на формирование климата, колебания уровня Мирового океана, сток рек, а также на хозяйственно-экономическую деятельность человека.
Ледяной покров – ведущий климатообразующий фактор
Снежный и ледяной покровы на поверхности Земли или регулярно образуются, или существуют постоянно. При этом они занимают разную площадь в зависимости от климатического пояса: в тропиках такие образования встречаются в каких-то сотых долях процента, а в полярных областях покрывают всю территорию. Очевидно, чем больше площадь и объем снежного и ледового покровов, тем сильнее они влияют на климат.
Чистый и сухой снег, покрывающий ледники, отражает до 90% солнечных лучей. Получается, что 70 млн км2 ледниковой поверхности получают тепла намного меньше, чем территории, на которых льда и снега нет. Снег не только охлаждает Землю, он интенсивно излучает тепловую энергию. Из-за этого снег еще больше охлаждается, и покрытые им огромные пространства земного шара становятся источником масштабного холода.
Гляциосфера
Снег и лед образуют своеобразную сферу — гляциосферу. Она представляет собой воду в твердой фазе, обладает замедленным массообменом (полная замена льда в ледниках происходит в результате круговорота воды примерно за десять тысяч лет, а в Центральной Антарктиде — за сотни тысяч лет), высокой отражательной способностью, а также специфическим механизмом воздействия на сушу и земную кору.
Гляциосфера является самостоятельной частью планетарной системы «атмосфера — океан — суша — оледенение». Интересным фактом является то, что на некоторых этапах истории планеты снежно-ледовая сфера полностью исчезала, чего никогда не происходило с сушей, морями, внутренними водами и атмосферой.
Были и периоды почти полного оледенения Земли. Теплые времена, способствовавшие развитию жизни, сменялись периодами сильных похолоданий, и тогда огромные ледниковые покровы занимали обширные территории планеты. На протяжении геологической истории оледенения повторялись через каждые 200—300 млн лет. Средняя температура воздуха на Земле в ледниковые эпохи была на 6—7 °С ниже, чем в теплые эпохи.
На протяжении последних тысячелетий большие ледниковые образования сохраняются только в полярных областях Земли. Ученые установили, что ледниковый покров Антарктиды существует более 20 млн лет. Около двух миллионов лет назад ледники возникли и в Северном полушарии.
Они сильно менялись в размерах, иногда и вовсе исчезали. Последнее крупное «наступление» ледников происходило около 18—20 тысяч лет назад. Считается, что общая площадь оледенения в то время превышала современную в четыре раза. Возможно, это кого-то удивит, но современная эпоха является частью ледникового периода.
Как образуется ледяной покров?
Для людей, далеких от гляциологии, понятие «прошлогодний снег» означает что-то уже не существующее и не заслуживающее внимание. Гляциолог же знает, что не будь прошлогоднего снега, не было бы и ледников. Каждый год из атмосферы на поверхность Земли выпадают триллионы тонн снега.
Ежегодно в Северном полушарии снежный покров покрывает огромную площадь – почти 80 млн км2, в Южном полушарии снежный покров меньше вдвое. Снег рождается в облаках, где относительная влажность воздуха достигает 100%. Размер снежинок зависит от температуры воздуха: чем она выше, тем крупнее снежинки. Самые мелкие снежинки возникают при низких температурах воздуха. Если же температура близка к нулю градусов, наблюдаются крупные хлопья, которые образованы из смерзшихся отдельных снежинок.
Снежные кристаллы, покружив в воздухе, ложатся на земную поверхность и образуют на ней снежный покров. На его плотность и строение также влияют температура воздуха и ветер. Чем выше температура, тем снежная масса становится компактнее, ведь снежинки быстрее и прочнее «склеиваются» между собой.
Однако даже слипшиеся снежинки сильный ветер может поднять и перенести в приземном слое с одного места на другое. При этом правильные кристаллы снежинок, как правило, разрушаются, и, заново смешиваясь, «поломанные» снежинки слипаются еще плотнее.
Частицы снега не могут путешествовать бесконечно. Если снежинки не растают и не испарятся, наступает момент, когда они настолько плотно прижмутся друг к другу, что даже порывы сильного ветра не смогут оторвать их от земли. Однако ветер в течение нескольких часов может создать очень плотные снежные гребни.
В теплых регионах даже самый плотный снежный покров, конечно, растает. В холодных климатических поясах дело обстоит несколько иначе. Снег начинает таять только тогда, когда теплый воздух сможет нагреть его до нулевой температуры. Поскольку на таяние расходуется очень большое количество тепла, воздух в многоснежных районах Земли прогревается значительно медленнее и его температура продолжает еще долго оставаться относительно низкой.
А в Антарктике и Арктике, а также в высокогорных районах умеренного пояса планеты летнего таяния обычно не хватает, чтобы успеть растопить за короткий срок весь сезонный снег. С наступлением очередной зимы на остаток прошлогоднего снега откладывается новый слой, а еще через год — другой.
Так постепенно скапливаются и спрессовываются огромные массы многолетнего снега — фирна. Из пластов фирна образуется лед. Как только он достигает определенной толщины, начинает медленно двигаться вниз по уклону. Попадая в более теплую зону, некоторая масса льда тает. Такова схема возникновения ледника в упрощенном виде.
Что такое ледник?
В гляциологии под словом ледник понимается «массу льда, образовавшуюся преимущественно из твердых атмосферных осадков, испытывающую вязко-пластическое течение под действием силы тяжести и принявшую форму потока, системы потоков, купола или плавучей плиты».
Ледники бывают горные и покровные. Ледник существует в условиях, когда выше снеговой линии накапливается твердых атмосферных осадков больше, чем их растает, испарится или израсходуется каким-либо другим способом. Как правило, на ледниках выделяют две области: область питания (или аккумуляции) и область расхода (или абляции).
Абляция, помимо таяния, подразумевает также испарение, сдувание ветром, обвал льда и откалывание айсбергов в океане. Ледники движутся из области питания в область расхода. Высота снеговой линии может колебаться в очень широких пределах — от уровня моря (в Антарктике и Арктике) до высоты 6000—6500 метров (в Тибетском нагорье).
Однако, например, на севере Уральского хребта и в некоторых других районах земного шара встречаются ледники, которые расположены ниже климатической снеговой линии.
Размеры ледников также очень сильно различаются— от незначительной доли квадратного километра (как, например, на севере Урала) до миллионов квадратных километров (в Антарктиде).
Ледники ведут активную геологическую деятельность, так как они регулярно движутся. Они разрушают горные породы, перемещают их, причем на очень дальние расстояния, и вновь способствуют их отложению. Все это вызывает изменения рельефа и высоты поверхности. Кроме того, ледники очень сильно влияют на местный климат.
Интересно, что лед «живет» внутри ледников необычайно долго. Одна и та же его частичка может существовать сотни и тысячи лет. Но в конце концов и она растает или испарится.
Как велика ледяная масса планеты?
Ледники покрывают около 11% площади земного шара (16,1 млн км2). Объем льда, заключенный в ледниках, примерно равен 30 млн км3. Если бы удалось распределить его ровным слоем по поверхности планеты, то толщина льда оказалась бы равной 60 м. Если бы это стало возможно, то средняя температура воздуха на поверхности Земли стала бы намного ниже, чем сейчас, и жизнь на планете исчезла бы.
К счастью, подобная перспектива сегодня нам не угрожает. Однако, вопрос глобального потепления на планете актуален и активно обсуждается мировым научным сообществом. Исходя из вышесказанного, в случае гипотетического таяния всех ледников, уровень Мирового океана поднимется на 60 м, а густонаселенные прибрежные равнины и крупнейшие морские порты и города окажутся под водой на площади 15 млн км2.
По предположениям ученых, в минувших геологических эпохах колебания уровня моря были значительно большими, ледниковые покровы возникали, а затем таяли. Самые крупные колебания ледников приводили к чередованию ледниковых и безледниковых периодов.
Сегодня средняя толщина ледников составляет около 1700 м, а максимальная из измеренных превышает 4000 м (в Антарктиде). Именно за счет этого ледяного континента, а также Гренландии средняя толщина современных ледников так высока.
В наше время ледники распространены по планете неравномерно благодаря различным климатическим условиям и рельефу земной поверхности. Около 97% общей площади ледников и 99% их объема сосредоточены в двух колоссах Антарктиды и Гренландии. Иногда их называют гигантскими природными холодильниками. Не будь их климат 3емли был бы значительно более равномерным и более теплым от экватора до полюсов. Такого разнообразия природных условий, какое имеется сейчас, не было бы.
Шапки льда в Антарктике и Арктике создают сильный температурный контраст между высокими и низкими широтами Земли, благодаря чему происходит более энергичная циркуляция атмосферы всей планеты. Таким образом, Антарктида и Гренландия играют главную климатообразующую роль на планете, порой их называют дирижерами климата.
Ледники очень чутки даже к незначительным изменениям климата. По их колебаниям ученые судят о его эволюции, ведь ледники выполняют гигантскую геологическую работу. Например, в результате грандиозной нагрузки крупных ледниковых покровов земная кора прогибается на глубину сотен метров, а при снятии этой нагрузки поднимается.
Повсеместное сокращение ледников за последние 100—150 лет согласуется с глобальным потеплением (около 0,6 °С за этот же период). Прежние размеры ледников ученые определили по положению их морен — валов из обломков горных пород, отложенных во время наступаний ледников. Рассчитав время формирования морен, можно установить время прошлых миграций ледников.
Ледники как глобальные запасы питьевой воды
Очевидно, что ледники — важнейшие водные ресурсы планеты. Лед — это мономинеральная горная порода, которая представляет собой особую, твердую, фазу воды. В гигантских ледяных кладовых планеты бережно хранится самая чистая вода. Ее количество равно стоку всех рек мира за последние 650—700 лет.
Масса ледников в 20 тысяч раз больше массы речных вод. Изучение ледников, в том числе и с целью оценки количества и качества запасов пресных вод в них, ведется уже несколько десятилетий. С точки зрения хранилища пресной воды наибольший интерес для ученых всего мира представляет Антарктида.
Гигантские запасы пресной воды на ледяном континенте имеют важное перспективное значение. Этот особенно актуально в условиях нарастающего во всем мире дефицита питьевой воды. В Антарктиде проводится большое количество научно-исследовательских разработок как с целью изучения влияния континента на климат планеты, так и для возможного использования пресных ледниковых вод там, где воды не хватает.
Специалистами Российской антарктической экспедиции Арктического и антарктического научно-исследовательского института из ледяной толщи озера Восток с глубины 3,5 км были извлечены пласты льда возрастом более 1 миллиона лет.
Этот пласт хранит информацию о том, как менялся климат нашей планеты с эпохи среднего плейстоцена до наших дней. Эти сведения помогут ученым оценить скорость глобального потепления в прошлом и спрогнозировать климатическую ситуацию ближайшего будущего.
Древние пласты льда возрастом около 1 миллиона лет представляют огромный интерес для исследователей, так как именно в этот период в атмосфере Земли могло быть очень высокое содержание углекислого газа, и на планете предположительно происходила кардинальная перестройка климата.
Вполне вероятно, изменения климата тогда были намного серьезнее, чем сейчас, однако происходили они по естественным причинам. Сегодня мы имеем дело с огромным техногенным влиянием на климат планеты, поэтому скорость этих изменений значительно выше.
Примечательно, что бурение первой скважины на станции «Восток» (озеро Восток получило свое название по наименованию станции) было начато еще в январе 1970 года командой Арктического и Антарктического научно-исследовательского института и Горного института.
В 1990 году производилось бурение уже пятой скважины. 5 февраля 2012 года впервые было произведено вскрытие озера Восток на глубине 3769 м. Только в 2022 году исследователям удалось поднять на поверхность первые образцы древнего льда возрастом около 500 тыс. лет.
Питьевая ледниковая вода Антарктиды: каковы перспективы?
Уже не первое десятилетие массовые скопления льда рассматриваются в качестве альтернативных источников питьевой воды. Особое внимание уделяется айсбергам, поскольку они передвигаются самостоятельно, а вопрос транспортировки ледяных глыб пока не имеет экономически целесообразного решения.
Так, ученые ведут наблюдения за крупнейшим в мире дрейфующим айсбергом А23а, его площадь составляет около 4 квадратных километров. Айсберг откололся от ледника Антарктиды более 30 лет назад и начал активно перемещаться со скоростью 150 км в месяц.
Безусловно, постоянное наблюдение за айсбергами ведется в целях обеспечения безопасности судов, однако рассматривается и возможность буксировки таких гигантов в засушливые регионы мира. Пока неизвестно, каким образом будет обеспечена буксировка, чтобы айсберг не успел растаять, как именно из него будет добываться и распределяться вода.
Один из рассматриваемых вариантов состоит в том, чтобы расколоть ледяную глыбу на части, погрузить лед на танкер и транспортировать к берегу. Однако, даже при всех существующих сегодня технических возможностях, очевидно, что большая часть айсберга во время этой операции успеет растаять.
Непростой характер ледников
Помимо существенного влияния на климат и рельеф планеты ледники воздействуют на жизнь и хозяйственную деятельность людей. Человек вынужден считаться с необузданным характером ледников. Временами они пробуждаются и представляют грозную опасность. Грандиозные скопления снега и льда в горах нередко порождают такие стихийные явления природы, как грязекаменные потоки — сели, лавины, резкие подвижки и обвалы концевых участков ледников, подпруды рек и озер, наводнения и паводки.
Пульсирующие ледники есть во многих районах Земли. Большое количество их находится в Северной и Южной Америке, Исландии, Альпах, Гималаях, Каракоруме, Новой Зеландии, на Шпицбергене, Памире, Тянь-Шане. На территории России такие ледники встречены в горах Кавказа, Алтая, Камчатки. Значительное число пульсирующих ледников заканчивает движение в прибрежных водах Арктики и Антарктики.
Колебания полярных ледников – своеобразный индикатор для отслеживания климатических изменений планеты. Бороться с ледяными «пульсарами» невозможно, важнее научиться правильно предсказывать их движение.
В различных районах земного шара созданы многочисленные обсерватории и научные станции, где в труднейших природных и климатических условиях исследователи ведут наблюдения на ледниках, изучают их особенности и повадки. Соседство с ледниками таит в себе одновременно и пользу, и опасность. С одной стороны, они снабжают человека и его хозяйство питьевой и технической водой, а с другой — создают дополнительные хлопоты и просто угрозу, так как могут быть источниками катастроф.
Очевидно, что гляциология охватывает целый ряд глобальных вопросов, связанных с климатическими проблемами, а также с важнейшими аспектами жизнедеятельности человека. Вода – основа жизни, и значительная ее часть содержится в ледниках.