Buz tabakası dinamikleri - Ice-sheet dynamics

Antarktika buz tabakasındaki buzul akış hızı.

Medya oynat

Antarktika'daki buzun hareketi

Buz tabakası dinamikleri , şu anda Grönland ve Antarktika'da bulunanlar gibi büyük buz kütleleri içindeki hareketi tanımlar . Buz hareket hareket hakim olduğu buzullar olan, yerçekimi sıcaklığında ve bazların gücü: -Bunlardan aktivitesi iki değişken faktör ile kontrol edilir. Bir dizi süreç, bu iki faktörü değiştirerek, hem saatlik hem de asırlık zaman ölçeklerinde daha uzun hareketsizlik dönemleri ile serpiştirilmiş döngüsel faaliyet dalgalanmalarına neden olur . Buz tabakası dinamikleri, gelecekteki deniz seviyesi artışını modellemede ilgi çekicidir .

Medya oynat

Buzul değişikliklerini gösteren animasyon.

Medya oynat

Bu animasyon, 2003–2010 yılları arasında Hindistan alt kıtasında cm cinsinden su cinsinden ortalama yıllık değişimi göstermektedir. Sarı daireler buzulların yerlerini gösterir. Bu bölgede (mavi ve mor renklerle gösterilen) önemli bir kütle kaybı var, ancak buzulların güneyindeki ovalarda yoğunlaşıyor ve yeraltı suyunun tükenmesinden kaynaklanıyor . Bir renk çubuğu kaplaması, görüntülenen değer aralığını gösterir.

Genel

Sınır şartları

Bir buz akışı ve okyanus arasındaki arayüz, akış hızının önemli bir kontrolüdür.

Larsen B buz sahanlığının çöküşü, onu besleyen buzulların hızları üzerinde derin etkiler yarattı.

Buz rafları , denizde yüzen kalın buz tabakalarıdır - onları besleyen buzulları dengeleyebilir. Bunlar, tepelerinde birikme eğilimi gösterirler, tabanlarında erime yaşayabilirler ve çevrelerinde buzağı buzdağları oluşabilir . Larsen B buz sahanlığının Şubat 2002'de üç haftalık bir zaman diliminde feci çöküşü bazı beklenmedik gözlemlere yol açtı. Buz tabakasını besleyen buzulların ( Crane , Jorum , Green , Hektoria - resme bakın) hızı önemli ölçüde arttı. Bu, buz rafının (Flask, Leppard) kalıntılarına akan buzullar hızlanmadığından, mevsimsel değişkenlikten kaynaklanmış olamaz.

Buz rafları Antarktika'da baskın bir kontrol sağlar, ancak buz tabakasının fiyortlarda denizle buluştuğu Grönland'da daha az önemlidir . Burada, erime baskın buz giderme işlemidir ve buz dağlarının fiyortlarda buzağılandığı ve yüzey erimiş suyunun okyanusa aktığı buz tabakasının kenarlarına doğru meydana gelen baskın kütle kaybıyla sonuçlanır.

Gelgit etkileri de önemlidir; 1 m'lik bir gelgit salınımının etkisi denizden 100 km'ye kadar hissedilebilir. Saatten saate bazında, buz hareketi dalgalanmaları gelgit aktivitesi ile modüle edilebilir. Daha büyük bahar gelgitleri sırasında , bir buz akıntısı, en yüksek gelgitten hemen sonra, bir saatten kısa bir sürede bir fit civarında bir dalgalanmadan önce, saatlerce neredeyse sabit kalacaktır; sabit bir dönem, düşen gelgitin ortasına veya sonuna doğru başka bir dalgalanma olana kadar tutulur. Neap gelgitlerde, bu etkileşim daha az belirgindir, gelgit dalgalanmaları olmadan yaklaşık her 12 saatte bir daha rastgele meydana gelir.

Buz rafları ayrıca bazal erimeye karşı hassastır. Antarktika'da bu, buzun erime noktasının 3 °C üzerinde olan dairesel kutupsal derin su akımı tarafından rafa beslenen ısı tarafından yönlendirilir .

Deniz, ısının yanı sıra okyanuslarla da tuz alışverişi yapabilir. Buzun erimesinden veya deniz suyunun donmasından kaynaklanan gizli ısının etkisi de rol oynamaktadır. Bunların etkileri ve kar yağışı ve taban deniz seviyesindeki değişkenliğin birleşimi, buz rafı kalınlığında yaklaşık 80 mm a ^-1 değişkenliği hesaba katar .

Uzun vadeli değişiklikler

Uzun zaman ölçeklerinde, buz tabakası kütle dengesi, dünyaya ulaşan güneş ışığı miktarı tarafından yönetilir. Jeolojik zaman boyunca dünyaya ulaşan güneş ışığındaki veya güneşlenmedeki bu değişiklik, sırayla, komşu gezegenler tarafından çekilirken, dünyanın güneşe açısı ve Dünya'nın yörüngesinin şekli ile belirlenir; bu varyasyonlar, Milankovitch döngüleri adı verilen öngörülebilir modellerde meydana gelir . Milankovitch döngüleri, buzul-buzullar arası zaman ölçeğinde iklime hükmediyor, ancak buz tabakasının boyutunda doğrudan güneşlenme ile bağlantılı olmayan farklılıklar var.

Örneğin, en azından son 100.000 yıl boyunca, Kuzey Amerika'nın çoğunu kaplayan buz tabakasının bölümleri, Laurentide Buz Levhası, Kuzey Atlantik'e büyük buzdağları filoları göndererek parçalandı. Bu buzdağları eridiğinde, taşıdıkları kayaları ve diğer kıtasal kayaları bırakarak buz raftingi enkazı olarak bilinen katmanları bıraktılar . Adını kaşifi Hartmut Heinrich'ten alan bu sözde Heinrich olayları , 7.000-10.000 yıllık bir periyodikliğe sahip görünüyor ve son buzullar arası soğuk dönemlerde meydana geliyor.

Buzun kararsız seviyelere ulaştığı ve ardından buz tabakasının bir kısmının çöktüğü gözlemlenen etkilerden dahili buz tabakası "tıkınırcasına temizleme" döngüleri sorumlu olabilir. Buz tabakalarını zorlamada dış faktörler de rol oynayabilir. Dansgaard-Oeschger olayları , kuzey yarımkürede belki de 40 yıl boyunca meydana gelen ani ısınmalardır. Bu D–O olayları, her Heinrich olayından hemen sonra meydana gelirken, daha sık da meydana gelirler – yaklaşık her 1500 yılda bir; Bu kanıttan yola çıkarak paleoiklimbilimciler, aynı zorlamaların hem Heinrich hem de D–O olaylarını tetikleyebileceğini tahmin ediyor.

Grönland buz çekirdeklerinde ve Antarktika buz çekirdeklerinde kısa süreli metan artışları birbirine bağlanarak buz tabakası davranışında yarım küresel eşzamansızlık gözlemlendi. Dansgaard-Oeschger olayları sırasında , kuzey yarımküre önemli ölçüde ısındı, aksi halde buzul zamanlarında tundra olan sulak alanlardan metan salınımını önemli ölçüde artırdı. Bu metan, Antarktika ve Grönland buzu ile birleşerek dünya çapında hızla dağılır. Bu bağla paleoiklimbilimciler, Grönland'daki buz tabakalarının ancak Antarktika buz tabakasının birkaç bin yıldır ısınmasından sonra ısınmaya başladığını söyleyebildiler. Bu modelin neden oluştuğu hala tartışmaya açıktır.

buzullar

Akış dinamikleri

Hava fotoğraf arasında Gorner buzul (sol) ve Grenzgletscher (r). Her iki çerçeve Monte Rosa İsviçre, perdah (orta) Alps

Plastik akışın gerilim-gerinim ilişkisi (teal bölüm): gerilimdeki küçük bir artış, deformasyon hızına eşit olan üssel olarak daha büyük bir gerinim artışı yaratır.

Buzullar içindeki akışın ana nedeni, birikim ve ablasyon miktarları arasındaki dengesizliğin yol açtığı yüzey eğimindeki artışa bağlanabilir . Bu dengesizlik , akmaya başlayana kadar bir buzul üzerindeki kayma gerilimini arttırır . Bu iki süreç arasındaki denge çizgisine yaklaştıkça akış hızı ve deformasyon artacaktır, ancak aynı zamanda buzun eğimi, buz kalınlığı ve sıcaklığından da etkilenir.

Gerinim (deformasyon) miktarı uygulanan stresle orantılı olduğunda, buz elastik bir katı gibi davranacaktır. Buz, 30 metre (98 ft) kalınlığa ulaşana kadar akmayacaktır, ancak 50 metreden (164 ft) sonra, küçük miktarlardaki stres, büyük miktarda gerilme ile sonuçlanarak deformasyonun plastik bir akış yerine plastik bir akış haline gelmesine neden olabilir. elastik. Bu noktada buzul, kendi ağırlığı altında deforme olmaya ve manzara boyunca akmaya başlayacaktır. Göre Glen-Nye akış hukuk aşağıdaki gibi, stres ve gerginlik ve iç akış böylece oranı arasındaki ilişki, modellenebilir:

${\displaystyle \Sigma =k\tau ^{n},\,}$

nerede:

${\görüntüleme stili \Sigma \,}$ = kayma gerinimi (akış) hızı

${\görüntüleme stili \tau \,}$ = stres

${\görüntüleme stili n\,}$ = 2-4 (çoğu buzul için tipik olarak 3) arasında bir sabittir ve sıcaklık düştükçe artar

${\görüntüleme stili k\,}$ = sıcaklığa bağlı bir sabit

En düşük hızlar, buzulun tabanına yakın ve sürtünmenin akışa karşı etki ederek en fazla deformasyona neden olduğu vadi kenarları boyuncadır. Deformasyon miktarı azaldıkça hız merkez çizgiye doğru ve yukarı doğru artar. En yüksek akış hızları, aşağıdaki tüm katmanların hızlarının toplamını temsil eden yüzeyde bulunur.

Buzullar ayrıca , buzulun tabanının erimiş su ile yağlandığı ve buzulun oturduğu arazi üzerinde kaymasına izin verdiği bazal kayma yoluyla da hareket edebilir . Eriyik su, basınca bağlı erime, sürtünme veya jeotermal ısı ile üretilebilir. Buzulun yüzeyindeki erime miktarı ne kadar değişken olursa, buz o kadar hızlı akacaktır.

Buzulun en üst 50 metresi, buzun tek bir birim olarak hareket ettiği kırılma bölgesini oluşturur. Buzul, kırık bölgesinin tüm derinliğine nüfuz edebilen düzensiz arazi üzerinde hareket ederken çatlaklar oluşur.

Buzulaltı süreçler

Bir buzulun içinden bir kesit. Buzulun tabanı erimenin bir sonucu olarak daha şeffaftır.

Buzul hareketini kontrol eden önemli süreçlerin çoğu, sadece birkaç metre kalınlığında olmasına rağmen buz yatağı temasında meydana gelir. Bazal kayma gerilmesi, buzulun ağırlığından kaynaklanan kaymanın altına düştüğünde, buzullar kayarak hareket edecektir.

τ _D = ρgh günah α

burada τ _D sürüş gerilimi ve α radyan cinsinden buz yüzeyi eğimidir.

τ _B , yatak sıcaklığı ve yumuşaklığın bir fonksiyonu olan bazal kesme gerilimidir.

τ _F , kesme gerilimi, τ _B ve τ _D' nin düşük olanıdır . Şekilde gösterildiği gibi plastik akış hızını kontrol eder (iç metin, sağ).

Belirli bir buzul, iki değişken τ olan _D saat buzul derinliği ve τ göre değişir, _B , bazal kesme stresi.

Bazal kesme gerilimi

Bazal kesme gerilimi üç faktörün bir fonksiyonudur: yatağın sıcaklığı, pürüzlülüğü ve yumuşaklığı.

Bir yatağın sert veya yumuşak olması, gözenekliliğe ve boşluk basıncına bağlıdır; daha yüksek gözeneklilik tortu mukavemetini azaltır (böylece kesme gerilimi τ _B artar ). Sediment kuvveti τ _D'nin çok altına düşerse , buzulun hareketi, kaymanın aksine sedimanlardaki hareketle karşılanacaktır. Gözeneklilik bir dizi yöntemle değişebilir.

• Üzerindeki buzulun hareketi yatağın genişlemesine neden olabilir ; ortaya çıkan şekil değişikliği blokları yeniden düzenler. Bu, sıkı bir şekilde paketlenmiş blokları (biraz düzgünce katlanmış, bir bavulun içinde sıkıca paketlenmiş giysiler gibi) dağınık bir karmaşa içinde yeniden düzenler (tıpkı düzensiz bir şekilde atıldığında kıyafetlerin asla yerine oturmaması gibi). Bu gözenekliliği arttırır. Su eklenmediği sürece, bu mutlaka boşluk basıncını azaltacaktır (çünkü boşluk sıvılarının kaplayacak daha fazla alanı vardır).
• Basınç, alttaki tortulların sıkışmasına ve konsolidasyonuna neden olabilir. Su nispeten sıkıştırılamaz olduğundan, gözenek boşluğu buharla dolduğunda bu daha kolaydır; sıkıştırmaya izin vermek için herhangi bir su çıkarılmalıdır. Topraklarda bu geri dönüşü olmayan bir süreçtir.
• Aşınma ve kırılma ile tortu bozunması, parçacıkların boyutunu azaltır, bu da parçacıkların hareketinin tersi etkiyle tortuyu bozabilmesine rağmen, gözenek alanını azaltma eğilimi gösterir. Bu işlemler ayrıca önemi daha sonra tartışılacak olan ısı üretir.

Buz akışını kontrol eden faktörler

Yüksek gözenekliliğe ve düşük gözenek sıvı basıncına sahip yumuşak bir yatak, buzulun tortu kaymasıyla hareket etmesine izin verir: buzulun tabanı, alttaki tortunun bir diş macunu tüpü gibi altına kaydığı yatağa kadar donmuş halde kalabilir. Sert bir yatak bu şekilde deforme olamaz; bu nedenle, sert tabanlı buzulların hareket etmesinin tek yolu, buz ve yatağın kendisi arasında eriyen suyun oluştuğu taban kaymasıdır.

Yatak yumuşaklığı, uzaya veya zamana göre değişebilir ve buzuldan buzullara önemli ölçüde değişir. Önemli bir faktör, altta yatan jeolojidir; buzul hızları, ana kayayı değiştirdiklerinde, eğim değiştiğinden daha fazla farklılık gösterme eğilimindedir.

Akışkan basıncı ( _pw ) tortu stresini etkilemesinin yanı sıra buzul ile yatak arasındaki sürtünmeyi de etkileyebilir. Yüksek sıvı basıncı, buzul üzerinde yukarı doğru bir kaldırma kuvveti sağlayarak tabanındaki sürtünmeyi azaltır. Akışkan basıncı, ρgh ile verilen buz örtüsü basıncı, p _i ile karşılaştırılır. Hızlı akan buz akıntıları altında, bu iki basınç , 30 kPa'lık bir etkin basınç (p _i – _pw ) ile yaklaşık olarak eşit olacaktır ; yani buzun tüm ağırlığı alttaki su tarafından destekleniyor ve buzul yüzüyor.

bazal eriyik

Bazal erimiş su ile yakından ilişkili olan bir dizi faktör yatak sıcaklığını etkileyebilir. Basınç altında suyun erime noktası düşer, yani daha kalın buzullar altında su daha düşük bir sıcaklıkta erir. Bu, "çifte darbe" görevi görür, çünkü daha kalın buzulların ısı iletkenliği daha düşüktür, bu da bazal sıcaklığın da daha yüksek olması muhtemel olduğu anlamına gelir.

Yatak sıcaklığı döngüsel bir şekilde değişme eğilimindedir. Soğuk bir yatak, buzulun hızını azaltan yüksek bir güce sahiptir. Bu, yeni yağan kar taşınmadığı için birikme oranını artırır. Sonuç olarak, buzul üç sonuçla kalınlaşır: birincisi, yatak daha iyi yalıtılır ve jeotermal ısının daha fazla tutulmasına izin verilir. İkinci olarak, artan basınç erimeyi kolaylaştırabilir. En önemlisi, τ _D artar. Bu faktörler buzulları hızlandırmak için birleşecek. Sürtünme hızın karesiyle arttıkça, daha hızlı hareket, sürtünme ısınmasını büyük ölçüde artıracak ve ardından erimeye neden olacak - bu da olumlu bir geri bildirime neden olur, buz hızını daha hızlı bir akış hızına yükseltir: Batı Antarktika buzullarının bir kilometreye kadar hızlara ulaştığı bilinmektedir. yıl başına. Sonunda, buz, birikme taşımaya ayak uyduramayacağından, incelmeye başlayacak kadar hızlı kabaracaktır. Bu incelme, iletken ısı kaybını artıracak, buzulları yavaşlatacak ve donmaya neden olacaktır. Bu donma, buzulu, genellikle durağan hale gelene kadar daha da yavaşlatacak ve buradan döngü yeniden başlayabilir.

Buzul üstü göller , buzulların tabanına olası bir başka sıvı su kaynağını temsil eder, bu nedenle buzul hareketini hızlandırmada önemli bir rol oynayabilirler. Çapı ~300 m'den büyük olan göller, buzul/yatak ara yüzüne sıvı dolu bir yarık oluşturabilir. Bu yarıklar oluştuğunda, gölün (nispeten sıcak) içeriğinin tamamı buzulun tabanına 2-18 saat gibi kısa bir sürede ulaşabilir - yatağı yağlayarak ve buzulun kabarmasına neden olur . Bir buzulun yatağına ulaşan su, orada donabilir ve alttan yukarı iterek buzulun kalınlığını artırabilir.

Son olarak, yatak pürüzlülüğü buzul hareketini yavaşlatabilir. Yatağın pürüzlülüğü, üstteki buza kaç tane kaya ve engel çıktığının bir ölçüsüdür. Bu engellerin etrafında buz, rüzgaraltı taraflarındaki yüksek basınç altında eriyerek akar; elde edilen eriyik su daha sonra yeniden donduğu yerde, stoslarında ortaya çıkan boşluğa dik bir basınç gradyanından aşağı doğru zorlanır. Stoss tarafındaki kavitasyon, akışa yardımcı olan bu basınç gradyanını arttırır.

Boru ve sac akışı

Buzul yüzeyinin altındaki su akışı, buzulun kendi hareketi üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Buzul altı gölleri, önemli miktarda su içerir ve bu hızlı hareket edebilir: birkaç yıl içinde göller arasında kilometreküp taşınabilir.

Bu hareketin iki ana modda meydana geldiği düşünülmektedir: boru akışı , bir buzul altı nehri gibi boru benzeri kanallar boyunca hareket eden sıvı suyu içerir; tabaka akışı , ince bir tabaka halinde suyun hareketini içerir. İki akış koşulu arasında bir geçiş, dalgalanma davranışıyla ilişkilendirilebilir. Gerçekten de, buzul altı su kaynağının kaybı, Kamb buz akışındaki buz hareketinin kapanmasıyla bağlantılıdır. Suyun buzul altı hareketi, boşalan buzul altı göllerine çöken buz tabakalarının yüzey topografyasında ifade edilir.

Etkileri

İklim değişikliği

Grönland'da buz tabakası incelmesi oranları (2003).

Mevcut iklim değişikliğinin buz tabakaları üzerindeki etkilerini tespit etmek zor. Artan sıcaklıkların küresel olarak buz hacimlerinin azalmasına neden olduğu açıktır. (Artan yağış nedeniyle, Antarktika buz tabakasının parçalarının kütlesi şu anda artıyor olabilir, ancak toplam kütle dengesi belirsizdir.)

Yükselen deniz seviyeleri, buzul hareketini azaltmada kilit rol oynayan buz raflarının stabilitesini azaltacaktır. Bazı Antarktika buz rafları şu anda yılda onlarca metre inceliyor ve Larsen B rafının çöküşünden önce yılda sadece 1 metre inceliyor. Ayrıca, 1 °C'lik artan okyanus sıcaklıkları, yılda 10 metreye kadar bazal erimeye neden olabilir. Buz rafları, yıllık ortalama -9 °C sıcaklık altında her zaman kararlıdır, ancak -5 °C'nin üzerinde asla kararlı değildir; bu, bağlamda Larsen B'nin çöküşünden önce olduğu gibi, 1.5 °C'lik bölgesel ısınmaya neden olur.

Artan küresel hava sıcaklıklarının, yatak sıcaklıklarını etkilemeden önce buzda doğrudan yayılması yaklaşık 10.000 yıl alır, ancak artan yüzeysel erime yoluyla bir etkiye sahip olabilir, daha fazla buzul üstü göller üretebilir, bu da buzul tabanlarına ılık su besleyebilir ve buzul hareketini kolaylaştırabilir. Antarktika gibi artan yağış alanlarında, kütle eklenmesi buzul hareketinin hızını ve dolayısıyla buz tabakasındaki ciroyu artıracaktır. Gözlemler, şu anda sınırlı olmakla birlikte, hem Grönland hem de Antarktika'dan artan buz kaybı oranı tahminleriyle aynı fikirde. Olası bir olumlu geribildirim, en azından volkanik olarak aktif İzlanda'da, küçülen buzullardan kaynaklanabilir. İzostatik geri tepme, artan volkanik aktiviteye yol açarak bazal ısınmaya neden olabilir - ve CO aracılığıyla
2 serbest bırakma, daha fazla iklim değişikliği.

Soğuk eriyik su, okyanusun yüzey tabakasının soğumasını sağlar, bir kapak görevi görür ve ayrıca yeraltı okyanus ısınmasını artırarak ve böylece buz erimesini kolaylaştırarak daha derin suları etkiler .

"Saf tatlı su" deneylerimiz, düşük yoğunluklu kapağın derin okyanus ısınmasına neden olduğunu, özellikle buz tabakası deşarjını sınırlayan kısıtlayıcı kuvvetin çoğunu sağlayan buz rafı topraklama hatlarının derinliklerinde olduğunu göstermektedir.

Erozyon

Bu inanılmaz derecede dik kenarlı Norveç fiyortunda açıkça görüldüğü gibi, diferansiyel erozyon rahatlamayı artırır .

Buz, daha kalın olduğu yerde daha hızlı akabileceğinden, buzulun neden olduğu erozyon oranı, üzerindeki buzun kalınlığı ile doğru orantılıdır. Sonuç olarak, buzul öncesi alçak oyuklar derinleşecek ve önceden var olan topoğrafya buzul hareketiyle güçlendirilecek , buz tabakalarının üzerinde çıkıntı yapan nunataklar ise neredeyse hiç aşınmıyor - erozyonun 1,2 milyon yılda 5 m olduğu tahmin ediliyor. Bu, örneğin, buzun topografik olarak içlerine yönlendirildiği için bir kilometre derinliğe ulaşabilen fiyortların derin profilini açıklar . İç kısımdaki fiyortların genişlemesi, buz tabakalarını boşaltmak için ana kanallar oldukları için buz tabakasının incelme oranını arttırır. Ayrıca buz tabakalarını iklim ve okyanustaki değişikliklere karşı daha duyarlı hale getirir.

Ayrıca bakınız

• buz tabakası modeli

Referanslar

daha fazla okuma

• Berber, DG; McCullough, G.; Bab, D.; Komarov, AS; Candlish, LM; Lukoviç, JV; Asplin, M.; Prinsenberg, S.; Dmitrenko, İ.; Rysgaard, S. (2014). "Beaufort Denizi'nde iklim değişikliği ve buz tehlikeleri" . element . 2 : 000025. doi : 10.12952/journal.elementa.000025 .