CC BY
23
УДК 500-599 55 А.А. Резепкин1
ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ НА ЛЕДЯНОЙ И ЗАМОРЕНЕННОЙ ЧАСТЯХ ЛЕДНИКА ДЖАНКУАТ (ПРИЭЛЬБРУСЬЕ)2
Многие ледники в языковой части забронированы мореной, поэтому нужно знать, как изменяются основные тепловые потоки на поверхности морены по сравнению с открытым льдом и как поверхностная морена влияет на абляцию погребенного под ней льда. Проанализированы данные двух автоматических метеостанций и данные об абляции, полученные с помощью современного аблятографа в течение полевого сезона 2010 г. на леднике Джанкуат (Центральный Кавказ). Одна метеостанция-аблятограф находилась на открытой поверхности льда, другая — поблизости от нее, на гребне срединной морены с толщиной моренного материала 65 см. Показано, что на абляцию больше всего влияет радиационный баланс поверхности ледника, тогда как скрытым теплообменом можно пренебрегать. Самые большие различия в структуре тепловых потоков на чистом и заморененном льду касаются явного теплообмена, как по его суточному ходу, так и по абсолютным значениям.
Ключевые слова: ледник, поверхностная морена, теплопоток, тепловой баланс, абляция, аблятограф.
Введение. Зоны абляции многих ледников целиком или частично забронированы моренным покровом. В результате неоднократных полевых исследований установлено, что присутствие моренного чехла на поверхности ледника существенно изменяет структуру теплового баланса, в большинстве случаев предохраняя ледяное тело от таяния [2—4, 13, 15, 16, 23, 26]. В эпоху практически повсеместной дегляциации на большинстве ледников быстро увеличивается относительная площадь, покрытая поверхностной мореной, это происходит в Альпах [9], на Большом Кавказе [20, 21, 24], в Гималаях [3, 25], Новой Зеландии [10] и т.д. Изменение моренного покрова заключается в том, что, находясь под воздействием изменения компонентов теплового баланса, морена при достижении определенной толщины и площади простирания начинает сама влиять на тепловой баланс поверхности ледника в целом, а следовательно, на абляцию и поле баланса массы. Таким образом, оценка реакции ледника с развитым моренным покровом на климатические изменения становится весьма актуальной и требует детального изучения.
Материалы и методы. Данные, использованные при вычислении тепловых потоков на леднике Джанкуат (Центральный Кавказ), наиболее изученном гляциологическом объекте России [20], собраны с помощью двух автоматических метеостанций фирмы "Campbell Scientific", установленных на высоте 2950 м над уровнем моря. Одна из метеостанций была расположена на свободной от морены ледяной поверхности, другая — на гребне срединной морены, где толщина слоя поверхностной морены составляла 60 см. Метеорологические данные фиксировались непре-
рывно с пятнадцатиминутным интервалом на протяжении четырех сезонов абляции, с 2007 по 2010 г. В статье представлены расчеты, выполненные по данным за сезон абляции 2010 г За основу расчета тепловых потоков взята модель, несколько раз апробированная и верифицированная многими исследователями в течение нескольких лет [5, 6, 15, 16, 19] на разных ледниках, как "чистых", так и покрытых чехлом поверхностной морены.
Согласно этой модели общий вид уравнения тепловых потоков выглядит следующим образом:
M = Bк + Bд + H + LE + G, к д
где M — энергия, затрачиваемая на таяние; Bк — баланс коротковолновой радиации; Bд — баланс длинноволновой радиации; Н — явный теплообмен; LE — скрытый теплообмен и G — кондуктивный тепловой поток в глубь ледника [22]. Для расчета тепловых потоков необходимы градиентные наблюдения как минимум на двух уровнях, т.е. при расчете для поверхности морены нужно знать такие показатели, как внутренняя температура моренной толщи и температура поверхности морены. Во многих исследованиях эти величины либо высчитываются косвенным образом, либо используются простые эмпирические корреляционные модели на основе прямой корреляции между интенсивностью абляции и температурой воздуха [14, 19].
Отличительная особенность исследования заключается в том, что автор располагает прямыми данными о температуре на поверхности морены, а также о ее распределении внутри 60-сантиметровой толщи. Это стало возможным благодаря установке внутрь моренной
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра криолитологии и гляциологии, аспирант; e-mail: rezepkin@gmail.com
2 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 09-05-01182а, 10-05-10073к), INTAS (проект 06-1000017-8608), а также по программе поддержки ведущих научных школ РФ (проект НШ- 3271.2010.5).
толщи автоматических терморегистраторов "TinyTag Plus2", TGP-4017. Эти небольшие датчики автоматически определяют температуру воздуха с дискретностью один час и с точностью 0,01 °С, сохраняя данные в блоке памяти; заряда аккумулятора при таком режиме работы хватает на 75 дней. Регистраторы температуры, установленные в толще моренного покрова на глубине 5, 25, 40 и 60 см, функционировали практически в течение всего периода абляции, формируя тем самым непрерывный ряд данных о температуре на различной глубине в толще моренного чехла. Несколько тысяч измерений температуры использованы для расчета теплопотоков в глубь моренного материала. Затем, после обработки и компоновки, данные о температуре в толще морены осреднены за период абляции и приведены в тот вид, который позволяет оценить внутрисуточное распределение изменения температуры в толще морены (рис. 1).
Таким образом, во избежание всех допущений и модельных неточностей, которые существуют в последних публикациях на данную тему [5, 16, 22], стало можно рассчитать тепловые потоки на поверхности морены на основании прямых полевых данных, измеренных с высоким разрешением, соответствующим частоте измерения автоматических метеостанций.
Данные о потоках коротковолновой и длинноволновой радиации также получены в полевых условиях с помощью автоматических метеостанций "Campbell Scientific", комплектующихся радиометром CNR1 производства фирмы "Kipp&Zonen". Таким образом, вычисление баланса коротковолновой (Вк) и длинноволновой (Вд) радиации сводится к простым арифметическим вычислениям. Методика же расчета остальных тепловых потоков H, LE и G детально описана в статьях Т. Рида и Б. Брока [5, 22]. В соответствии с ней потоки явного (Н) и скрытого (LE) тепла вычисляются по следующим формулам:
h =р Cak2ykU(а-Ts^ (ф ф )-1
11 Va f \f \ V m h) '
ln
'0m /
ln
LE = p
LVKkU
(la - ls )
a f
ln
-0m /
w
ln
(Фт Ф^ У,
-0q У
где (ФтФА)-1 и (ФшФу)-1 — безразмерные функции, расчитанные с помощью числа Ричардсона, характеризующего стабильность атмосферы; кук — безразмерная постоянная фон Кармана; — скрытая теплота испарения воды; да и д, — значения удельной влажности на высоте измерения; 1а — высота измерения температуры воздуха и скорости ветра; z0t и г0д — шероховатость поверхности. Удельная теплоемкость воздуха са корректируется для влажной атмосферы по формуле са = еаЛ (1 + 0,84да), где саЛ — удельная теплоемкость сухого воздуха. Плотность воздуха ра вычисляется согласно уравнению Клайперона.
Кондуктивный теплообмен О вычисляется на основании температурного градиента между температурой на поверхности морены Т, и температурой внутри морены Тй:
Т, (1)-Т
"0t J
где h — глубина установки каждого из терморегистраторов "TinyTag" и kd — теплопроводность поверхностной морены, принятая равной 2,8 Втм-1К-1 [4]. Температура поверхности льда, равная температуре таяния в сезон абляции, позволяет допустить изотермические условия в приповерхностной ледяной толще на открытой ледяной поверхности, поэтому кондук-тивный поток тепла G в этом случае был принят равным нулю.
Для выявления наиболее значимого для абляции компонента теплового баланса поверхности ледника необходимы измерения абляции, они проводились на леднике Джанкуат с часовым интервалом, что позволяет увязать все накопленные полевые материалы для совместного анализа. В непосредственной близости от обеих метеостанций были установлены автоматические датчики "Sonic Ranger" понижения поверхности. Они также функционировали в течение 3 лет,
Рис. 1. Внутрисуточное изменение температуры внутри толщи поверхностной морены ледника Джанкуат, осредненное за период абляции 2010 г. (по данным измерений на экспериментальной площадке в зоне абляции): 1 — 5 см; 2 — 25 см; 3 — 40 см; 4 — 60 см
с 2007 по 2010 г. Этот прибор основан на принципе активной ультразвуковой локации: он посылает до поверхности ультразвуковые сигналы и с помощью датчика-преобразователя воспринимает отражение волн от ледовой либо от моренной поверхности. Сенсор прибора в эксперименте был ориентирован по нормали к поверхности. Основа для определения расстояния до поверхности — время возврата импульса. Прибор подключается к автоматической метеостанции, измеряющей основные метеорологические величины в те же промежутки времени, что и датчики "Sonic Ranger". Прибор смонтирован из прочного сплава алюминия и невосприимчив к климатическим и погодным условиям. Площадка, сканируемая датчиком "Sonic Ranger", характеризуется телесным углом с углом раствора 22° (что соответствует телесному углу 0,11544 ср или 379 кв. град.). Через равные промежутки времени прибор автоматически сканирует попадающую в него зондируемую поверхность ледника, сохраняя в блоке памяти интегральную величину расстояния до поверхности. В процессе работы прибора расстояние по нормали между датчиком и поверхностью изменялось от 0,4 до 1,2 м. Основная цель применения "Sonic Ranger" в исследованиях на леднике Джанкуат — выявление внутрисуточного изменения таяния на разных типах ледниковых поверхностей (открытой и заморененной), а также связи между таянием и тепловыми потоками на поверхности ледника. Понижение поверхности ледника измерялось с точностью до 1 мм. Через значение р.. = 0,88 г/см3 [4] эти данные переведены в категорию абляции (мм водн. экв.), после чего цифровой массив был статистически обработан таким образом, чтобы представить внутрисуточную картину распределения абляции на открытой и заморененной поверхностях.
Обсуждение результатов. В результате применения комплекса приборов, измеряющих основные метеорологические параметры и абляцию, получен синхронный комплекс данных за весь период абляции 2010 г. В результате можно проследить изменение всех рассматриваемых параметров не только за любой
выбранный час, но и составить осредненное за сезон абляции внутрисуточное распределение всех характеристик. Все исследованные процессы и величины измерены в одной точке и не экстраполировались на соседние территории.
Рассмотрим необходимую для расчета теплопото-ков на морене температуру внутри моренной толщи, ее осредненное за сезон внутрисуточное изменение представлено на рис. 1.
В течение всего периода абляции температура в толще морены, даже в 5 см от подстилающего льда, была положительной, что дает основание говорить о непрерывности подморенной абляции. Наибольшие значения среднесезонной температуры зафиксированы с 14 по 15 час по термодатчику, заглубленному на 5 см. В целом же изменение температурных кривых на разной глубине хорошо сопоставимо. Лишь изменение температуры на глубине 40 см более сглажено, что можно объяснить законом Фурье о затухании амплитуды температуры с глубиной. Соблюден и другой закон Фурье — о неизменности периодов колебания температуры с глубиной. Положительные и отрицательные пики значений температуры на глубине 5 и 40 см разнесены на 2—3 часа по оси времени, причем отрицательные пики расположены ближе один к другому, чем положительные, и разница между значениями отрицательной температуры на этих глубинах составляет 1 °С, в то время как максимумы положительных значений температуры отличаются на 5 °С. Это также очевидно: после заката солнца охлаждение происходит синхронно, однако сразу после его восхода температура в приповерхностном слое начинает резко увеличиваться, в то время как для прохождения этого потока тепла до глубины 40 см требуется определенный промежуток времени, который зависит от теплофизи-ческих свойств горных пород, слагающих моренную толщу.
Тепловые потоки определяются как положительные, когда они направлены в сторону поверхности ледника и, следовательно, способствуют таянию льда. На рис. 2, 3 отображено осредненное за сезон абля-
Рис. 2. Внутрисуточное распределение основных тепловых потоков на поверхности чистого льда, осредненное за период абляции 2010 г.: А — абляция, Вк — баланс коротковолновой радиации, Вд — баланс длинноволновой радиации, Н — явный теплообмен, LE — скрытый
теплообмен
Рис. 3. Внутрисуточное распределение основных тепловых потоков на поверхностной морене ледника Джанкуат, осредненное за период абляции 2010 г.: А — абляция, Вк — баланс коротковолновой радиации, Вд — баланс длинноволновой радиации, Н — явный теплообмен, LE — скрытый теплообмен, G — кондуктивный тепловой поток в глубь ледника
ции 2010 г. внутрисуточное изменение основных тепловых потоков, а также абляция по данным "Sonic Ranger" на ледяной и моренной поверхностях. Структура суточного изменения тепловых потоков на льду и морене во многом похожа: так, наиболее сильный поток в обоих случаях — баланс коротковолновой радиации (так как она минимально зависит от подстилающей поверхности). Баланс длинноволновой радиации не очень сильно варьирует в течение суток; абсолютные значения этого параметра выше на замо-рененной поверхности. В соответствии с вышеприведенным суточным ходом компонентов теплового баланса можно заключить, что интенсивность абляции зависит в первую очередь от поступления солнечной радиации, т.е. максимальное таяние достигается в дневные часы. Однако равным образом суточный ход абляции хорошо коррелирует с потоком явного теплообмена Н, причем пиковые значения этого параметра на поверхностной морене почти в 3 раза превышают показатели на чистой ледяной поверхности. Особое значение параметр Н приобретает при теплых фёнах, которые нередко случаются на Центральном Кавказе. Таким образом, в соответствии с кривыми, приведенными на рис. 2 и 3, наибольшее влияние на абляцию оказывает радиационный баланс поверхности ледника. Немалый вклад в абляцию вносит также поток явного тепла, а таким параметром, как скрытый теплообмен (из-за его малых абсолютных значений), можно пренебречь.
Изменчивость компонентов теплового баланса в течение периода абляции представлена в таблице.
Говоря о суточном изменении абляции, прежде всего следует отметить закономерные различия в абсолютных значениях абляции обоих типов поверхности: аблятограф "Sonic Ranger", расположенный на поверхностной морене, исправно фиксировал явно экранирующий эффект моренного покрова, в результате чего интенсивность абляции чистого льда в несколько раз превышала скорость таяния подморенного льда. Наибольшая интенсивность таяния чистого льда
Изменчивость компонентов теплового баланса в течение сезона абляции
Зона Ком-по-нент Среднее Медиана Размах Стандартное отклонение
Вк 140 16 1067 280
Ледяная Вд -26 -31 140 31
поверхность H 40 80 1240 146
LE -30 -29 124 19
Вк 186 10 1178 286
Поверхностная Вд -85 -83 215 52
H -6 63 467 153
морена LE 3 0 381 13
G 37 31 114 24
наблюдается в 12—13 час, что напрямую связано с максимумом радиационного баланса; в среднем за сезон интенсивность понижения поверхности в этот временной интервал достигает 4—5 мм/час. Наименьшая же скорость таяния наблюдается в 7—8 часов утра из-за максимального остывания толщи ледника к этому времени. Объяснение всех максимумов и минимумов в распределении внутрисуточных изменений абляции льда в основном влиянием солнечной радиации связано с тем, что ее количество на ледниках в умеренных широтах играет определяющую роль в таянии снега и льда, так как на ее долю приходится 80—90% всего тепла, расходуемого на абляцию [1]. Достаточно же тесная связь таяния ледников и температуры воздуха объясняется тем, что все основные составляющие теплового баланса (по крайней мере те, которые определяются длинноволновой частью спектра радиации, а также конвективный и конденсационный члены) прямо или косвенно связаны с этим метеорологическим параметром. Вариации таяния подморенного льда от-
личаются от такового на открытой части ледника в основном абсолютными значениями, что связано с бронирующей ролью моренного покрова [2, 4, 13, 18, 21].
Необходимо отметить, что современные методы регистрации суточной абляции посредством прибора "Sonic Ranger" применяются в масс-балансовых работах на леднике Джанкуат относительно недавно, в то время как предшествовавший метод опорного троса использовали уже в течение десятилетий и он прекрасно себя зарекомендовал. Поэтому для проверки новейших методов регистрации таяния в течение суток, а также для повышения точности измерений оба метода применяют в настоящее время параллельно. Аналогично измерениям по опорному тросу из непрерывного ряда данных, полученных с помощью "Sonic Ranger", были отобраны величины, полученные в 9:00. Такое время выбрано потому, что для оценки стаива-ния поверхности ледника за сутки необходимо снимать с прибора то показание, которое во времени ближе всего к восходу солнца, так как после этого начинается таяние в следующие сутки. Для сравнения с данными, полученными с помощью опорного троса, рассчитаны также суммарные величины суточного стаивания по данным датчика "Sonic Ranger". Коэффициент корреляции между измерениями с помощью опорного троса и датчика "Sonic Ranger" равен 0,72, что при расчете с использованием t-критерия Стью-дента статистически значимо.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волошина А.П. Метеорология горных ледников // Мат-лы гляциол. исследований. 2002. Вып. 92. C. 3—148.
2. Ходаков В.Г. Расчет абляции льда под слоем морены // Мат-лы гляциол. исследований. 1972. Вып. 20. C. 105—108.
3. Bolch T., Buchroithner M., Pieczonka T., Kunert A. Plani-metric and volumetric glacier changes in the Khumbu Himal, Nepal, since 1962 using Corona, Landsat TM and ASTER data // J. Glaciol. 2008. Vol. 54, N 187. P. 592—600.
4. Bozhinskiy A.N., Krass M.S., Popovnin V. V. Role of debris cover in the thermal physics of glaciers // J. Glaciol. 1986. Vol. 32, N 111. P. 255—266.
5. Brock B.W., Arnold N.S. A spreadsheet-based (Microsoft Excel) point surface energy balance model for glacier and snow-melt studies // Earth Surf. Process. Landf. 2000. Vol. 25, N 6. P. 649—658.
6. Brock B. W., Mihalcea C., Kirkbride M.P. et al. Meteorology and surface energy fluxes in the 2005—2007 ablation seasons at the Miage debris-covered glacier, Mont Blanc Massif, Italian Alps // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. D09106.
7. Hock R. Glacier melt: a review of processes and their modeling // Progress in Physical Geography. 2005. Vol. 29, N 3. P. 362—391
8. Humlum O. Active layer thermal regime at three rock glaciers in Greenland // Permafrost Periglac. Process. 1997. Vol. 8, N 4. P. 383—408.
9. Kellerer-Pirklbauer A. The supraglacial debris system at the Pasterze Glacier, Austria: spatial distribution, сharacteristics and transport of debris // Z. Geomorphol. NF 2008. Hf. 52, Sup. 1. S. 3—25.
Заключение. На основании комплексных наблюдений на отдельном леднике рассмотрена структура тепловых потоков, составляющих тепловой баланс. Выяснено, что наибольшее влияние на абляцию оказывает радиационный баланс поверхности ледника, а таким параметром, как скрытый теплообмен, можно пренебречь. Наибольшие различия в структуре тепловых потоков на ледяной и моренной поверхностях наблюдаются в потоке явного теплообмена: отличаются как структура его суточного изменения, так и абсолютные значения.
Интересно, что для такого неоднородного объекта, как поверхностная морена, действуют законы Фурье. Поток скрытого тепла больше на ледяной поверхности и исчезающе мал на моренной. Терморегистраторы, установленные в моренной толще, показали идеальное соответствие закону запаздывания амплитуды с глубиной. В результате наиболее точно рассчитаны тепловые потоки на моренной поверхности с использованием прямых полевых данных, что выгодно отличает наши исследования от проводимых в настоящее время за рубежом. Современная модель расчета тепловых потоков и наличие новейших регистрирующих приборов позволяют поставить данные этих исследований в один ряд с последними однотипными работами по этой тематике, проведенными на ледниках в Альпах, Андах, на Аляске, в Гималаях и Новой Зеландии.
10. Kirkbride M.P. The temporal significance of transitions from melting to calving termini at glaciers in the central Southern Alps of New Zealand // Holocene. 1993. Vol. 3, N 3. P. 232—240.
11. Klok E.J., Nolan M., Broecke M.R. van den. Analysis of meteorological data and the surface energy balance of McCall Glacier, Alaska, USA // J. Glaciol. 2005. Vol. 51, N 174. P. 451—461.
12. Konovalov V. Computations of melting under moraine as a part of a regional modelling of glacier runoff // IAHS Publ. 264 (Symposium at Seattle 2000 — Debris-Covered Glaciers). 2000. P. 109—118.
13. Mattson L.E., Gardner J.S., Young G.J. Ablation on debris covered glaciers: an example from the Rakhiot Glacier, Punjab, Himalaya // IAHS Publ. 218 (Symposium at Kathmandu 1992 — Snow and Glacier Hydrology). 1993. P. 289—296.
14. Mihalcea C, Mayer C, Diolaiuti G. et al. Ice ablation and meteorological conditions on the debris-covered area of Baltoro Glacier, Karakoram, Pakistan // Ann. Glaciol. 2006. Vol. 43. P. 292—300.
15. Nakawo M., Young G. Field experiments to determine the effect of a debris layer on ablation of glacier ice // Ann. Glaciol. 1981. Vol. 2. P. 85—91.
16. Nicholson L., Benn D. Calculating ice melt beneath a debris layer using meteorological data // J. Glaciol. 2006. Vol. 52, N 178. P. 463—470.
17. Oerlemans J. Glaciers and climate change. Rotterdam: Balkema, 2001.
18. 0strem G. Ice melting under a thin layer of moraine, and the existence of ice cores in moraine ridges // Geogr. Ann. 1959. Vol. 41, N 4. P. 228—230.
19. Pellicciotti F., Carenzo M., Helbing J. et al. On the role of subsurface heat conduction in glacier energy-balance modeling // Ann. Glaciol. 2009. Vol. 50, N 50. P. 16—24.
20. Popovnin V.V., Naruse R. A 34-year-long record of mass balance and geometric changes of the Djankuat Glacier, Caucasus // Bull. Glaciol. Res. 2005. Vol. 22. P. 113—125.
21. Popovnin V.V., Rozova A.V. Influence of sub-debris thawing on ablation and runoff of the Djankuat Glacier in the Caucasus // Nord. Hydrol. 2002. Vol. 33, N 1. P. 75—94.
22. Reid T.D., Brock B.W. An energy-balance model for debris-covered glaciers including heat conduction through debris layer // J. Glaciol. 2010. Vol. 56, N 199. P. 903—916.
23. Reznichenko N., Davies T., Shulmeister J., McSaveney M. Effect of debris on ice-surface melting rates: an experimental study // J. Glaciol. 2010. Vol. 56, N 197. P. 384—394.
24. Stokes C.R., Gurney S.D., Shahgedanova M., Popovin V.V. Late-20th-century changes in glacier extent in the Caucasus Mountains, Russia/Georgia // J. Glaciol. 2006. Vol. 52, N 176. P. 99—109.
25. Shukla A., Gupta R.P., Arora M.K. Estimation of debris cover and its temporal variation using optical satellite sensor data: a case study in Chenab basin, Himalayas //J. Glaciol. 2009. Vol. 55, N 191. P. 444—452.
26. Wei Y., Tandong Y., Baiqing X., Hang Z. Influence of supraglacial debris on summer ablation and mass balance in the 24K glacier, Southeast Tibetan plateau // Geogr. Ann. 2010. Vol. 92, N 3. P. 353—360.
Поступила в редакцию 15.03.2011
A.A. Rezepkin
THERMAL FLOWS AT THE OPEN-ICE AND MORAINE-COVERED PARTS OF THE DJAN-KUAT GLACIER (THE ELBRUS REGION)
Tongue parts of many glaciers are covered with moraine; therefore it is useful to understand the changes of the main heat flows on moraine surface as compared with the open ice and the influence of the surface moraine on the ablation of underlying ice. Data of two automatic meteostations were analyzed together with ablation values measured with the modern ablatiograph at the Djan-Kuat glacier (the Central Caucasus) during the 2010 field season. One meteostation-ablatiograph complex was located at the open ice surface, while the other was placed nearby at the 65 cm high moraine ridge. It was revealed that radiation balance has the greatest influence on ablation while the indirect heat exchange is almost not important. The direct heat exchange in both its absolute values and the daily variation is the most dissimilar heat flow for the open and moraine-covered ice.
Key words: glacier, surface moraine, heat flow, heat balance, ablation, ablatiograph, the Elbrus region.
