Криосфера

Криосфера — прерывистая и непостоянная по конфигурации оболочка Земли в зоне теплового взаимодействия атмосферы, гидросферы и литосферы с отрицательными или нулевыми температурами, при которых вода находится в твердой фазе (лед, снег, иней, мерзлота) или в переохлажденном состоянии.

Вода в твердом состоянии представляет собой кристаллизующийся минерал — лед, наличие которого в литосфере, гидросфере и атмосфере придает им новые качества и позволяет выделить особые сферы (зоны): криолитосферу — зону мерзлых горных пород, криогидросферу — зону морских льдов, хионосферу — зону отрицательных температур в атмосфере. Следовательно, криосфера занимает особое место среди и внутри геосфер и может рассматриваться самостоятельно, но фактически это определенное состояние частных геосфер.

Распространение криосферы (рис. 5.14) тесно связано с природными условиями различных районов — суровой Арктики и Антарктики, высокими горами и равнинами полярных областей, где резко континентальный климат становится причиной превращения подземных вод в лед вечной мерзлоты. Для криосферы характерна глобальная дисимметрия, когда в районах с холодным морским климатом или влажным континентальным образуются льды наземные (ледники), а в районах холодного сухого континентального климата — льды подземные.

Ледяной покров. Современное оледенение включает: оледенение поверхности суши и верхних горизонтов земной коры и ледяной покров гидросферы — плавучие (пресноводные и морские) льды. Лед следует рассматривать как природный материал, который в течение сезонов года непрерывно меняет свои свойства. Даже в одном и том же географическом районе, на одном и том же месте лед осенью и весной настолько различен по своим физико-механическим свойствам, что представляет собой разные физические тела. В природе встречается только одна обычная фаза замерзшей воды — лед I. Кроме нее существуют пять других устойчивых и одна неустойчивая разновидности льда (по другим источникам, на Земле существует 14 различных типов льда). Однако они появляются лишь при огромном давлении и могут быть получены только в лабораторных условиях.

Рис. 5.14. Криосфера земного шара (Мир географии, 1984): 1 — область многолетнемерзлых горных пород и ледяных покровов; 2 — области систематического сезонного промерзания почвы; 3 — области кратковременного и несистематического промерзания почвы; 4 — области, лишенные промерзания почвы

Льды суши встречаются в форме временных (сезонных) образований, появляющихся в холодное время года, и в виде многолетнего ледяного покрова, включающего наземные, плавучие и сползающие с берега шельфовые ледники, а также подземные льды в районах вечной мерзлоты. Общая площадь многолетних и сезонных снегов составляет 115 млн км², или 22 % земной поверхности. При современных климатических условиях квазипостоянный ледяной покров суши состоит преимущественно из ледников.

Ледники покрывают примерно 10% всей площади суши, причем 11% ледникового льда находится в Гренландии, 85,6% в Антарктиде и только 3,4% в горных и субполярных районах. Однако эти относительно небольшие площади ледяной суши в горах играют огромную роль в жизни планеты и людей. В период максимального распространения ледников — плейстоценовую эпоху оледенения они занимали 32% суши. Точно подсчитать общий объем льдов суши невозможно, так как данных о толщине антарктического ледникового щита еще недостаточно, тем более что антарктические исследования постоянно дают гляциологам новый материал. Один из таких «сюрпризов» связан с открытием на южном континенте вблизи станции «Восток» подледного озера на глубине около 3730 м. Здесь же расположена наиболее глубокая скважина, к 1998 г. достигшая 3623 м. Анализ керна льда показал его сложное строение, различный характер загрязнения и накопление в течение почти полумиллиона лет (рис. 5.15). Разбуривание ледникового покрова Гренландии показало в целом сходную картину строения льдов и изменения их основных характеристик.

По оценке Р. Флинта, объем современных ледников составляет 24×10⁶ км³. Если распределить этот объем равномерно по поверхности суши, она окажется под ледяным покровом толщиной 182 м. Подсчитано, что таяние этих льдов поднимет уровень Мирового океана на 50—60 м и приведет к затоплению примерно 20 млн км² суши. Общий объем льдов на Земле в 32 раза превышает массу всех поверхностных вод суши. Мощность льда в ледниковых щитах, по данным дистанционного зондирования, иногда достигает 3400 м и более (Гренландия, Антарктида).

Практически все горы мира охвачены современным оледенением. Распространение ледников подчиняется широтной географической зональности и высотной поясности, поэтому в зависимости от географической широты ледники находятся на разной абсолютной высоте. Все ледники испытывают движение, и их размеры изменчивы во времени. Перемещаясь под действием силы тяжести, ледники и вмерзшие в них породы производят огромную разрушительную работу — экзарацию (выпахивание) поверхности горных пород, транспортируют продукты разрушения горных пород и отлагают перенесенный материал — морены.

Рис. 5.15. Данные ледяного керна из скважины на станции «Восток» и глубоководных отложений за четыре климатических цикла (по В.М.Котлякову, 2000): 1 — вариации δ¹⁸О (стандартное отклонение) по данным колонок глубоководных отложений; б — содержание дейтерия (δD) в ледяном керне; в — содержание СО₂ во льду; г — содержание пылеватых частиц в ледяном керне; д — электропроводность льда, выраженная в относительных единицах как бегущее среднее за 3 м. Цифрами обозначены морские стадии

Вечная мерзлота — это часть земной коры, которая характеризуется средней нулевой или отрицательной температурой. Площади, занятые вечной мерзлотой, составляют 21 млн км², или 14% суши. Из них только 4,7% находится в Южном полушарии, а 95,7 % расположены в Северном, главным образом, на северо-востоке Евразии, в Канаде, на островах Арктики и в Гренландии. Объем подземных льдов оценивается в 0,2 млн км³. Максимальной мощности (1500 м) слой вечной мерзлоты достигает в верховьях р. Мархи (приток Вилюя).

Мерзлые грунты, как и ледники, отражают не только современные климатические условия, но и обстановку прошлых эпох. Обладая большой инерцией, они сохраняются некоторое время даже при потеплении климата.

Плавучие льды. Образование плавучего льда довольно драматическое событие в жизни природы, поскольку замедляется обмен между океаном и атмосферой, происходящий обычно через поверхность двух сред — жидкой и газообразной.

Плавучий лед образуется при охлаждении воды ниже точки замерзания, которая различна для пресной и морской воды. С понижением температуры плотность воды увеличивается, и, опускаясь, холодная вода вытесняет более теплую к поверхности. Такой процесс называется конвекцией. Если охлаждение продолжается, то мощность смешанного слоя будет увеличиваться. Когда поверхностный слой воды охладится до точки замерзания и перестанет опускаться, начнется льдообразование. Другим условием образования льда является наличие ядер кристаллизации, вокруг которых идет интенсивное нарастание льда. По мере роста ледяные кристаллы смерзаются друг с другом и образуют пластичный слой льда.

По своим физическим и механическим свойствам морской лед отличается от пресноводного, что обусловлено соленостью морской воды. Соленость льда колеблется от 0 до 15‰, составляя в среднем 3—8‰. По шкале твердости минералов твердость пресного льда при 0°С близка к твердости каменной соли, при -30°С равна твердости плавикового шпата и его не берет даже стальная пила.

Плавучие льды классифицируют по: происхождению (морские, речные, или выносимые в море, и материковые, или глетчерные), типу (ледяные иглы, сало, снежура, шуга, нилас и др.), возрасту (начальные стадии образования, молодые и многолетние, или паковые — опресненные льды возрастом более двух лет, мощность которых около 2—2,5 м).

Особое место в этом подразделении занимают айсберги, которые формируются на суше. Хотя лед представляет собой твердое тело, он все же медленно течет и от сползающего ледника на линии берега периодически откалываются огромные блоки. Поскольку плотность льда составляет около 90% плотности морской воды, айсберги остаются на плаву. Приблизительно 3/4 объема айсберга находится под водой. После своего образования айсберги увлекается океаническими течениями, выносятся в более низкие широты и постепенно тают. Наибольшее впечатление производят антарктические айсберги, которые по сравнению со своими северными собратьями обладают огромными размерами. Число айсбергов обоях полушарий меняется по годам.

Распределение льдов в Мировом океане следует закону географической зональности, поэтому основными ледовыми районами являются полярные и приполярные области северного и южного полушарий.

В Северном Ледовитом океане льды сохраняются в течение всего года и находятся в постоянном движении. Средняя граница льдов в Северной Атлантике проходит несколько южнее 72° с.ш., но ее истинное положение зависит от месяца года и гидрометеорологических условий. Наибольшего развития ледяной покров в Северном полушарии достигает в марте, когда общая площадь, занятая льдами, составляет около 16,4 млн км². К концу лета она сокращается вдвое. В летний сезон южные акватории арктических морей частично освобождаются ото льда и становятся судоходными. Арктические льды выносятся в Атлантический океан через пролив между Гренландией и Шпицбергеном, а также проливы Канадского архипелага. Помимо плавучих льдов в районе Гренландии, северного побережья Канады и Ньюфаундленда часто встречаются айсберги. Большая их часть зарождается на побережье Гренландии, севернее 68°30' с.ш., где всего лишь сто ледников продуцируют около 15 000 айсбергов ежегодно. Отдельные арктические айсберги достигают 35° с.ш.

Ледяное кольцо вокруг Антарктиды имеет ширину от 280 до 1100 миль (1 морская миля равна 1852 м). Средняя граница распространения льдов в Южном полушарии проходит около 59° ю.ш., однако ее истинное положение также зависит от гидрометеорологических условий и сектора Южного океана: индийского, тихоокеанского, атлантического. Антарктида — страна льда. Колоссальные ледники сползают к урезу воды, формируя своеобразные ледяные берега Южного океана. Занимаемая антарктическими айсбергами площадь составляет в среднем за год около 62,5 млн км². Основная масса морских льдов формируется в морях Уэддела, Беллинсгаузена и Росса, откуда под действием течений и ветров они переносятся к северу.

Гибель суперлайнера «Титаник» в ночь с 14 на 15 апреля 1912 г. продемонстрировала, какую угрозу навигации могут представлять айсберги. Наблюдения за ледовой обстановкой и обнаружением айсбергов осуществляют Международный ледовый патруль и национальные службы ряда стран. Ареалы распространения льдов постоянно отслеживаются и картируются.

Роль ледяного покрова. Вода в твердом состоянии также играет важную роль в реализации влаго- и теплообмена земной поверхности. Во-первых, ледяной и снежный покровы участвуют в энергетическом бюджете Мирового океана. Вода — хороший поглотитель солнечной энергии, а лед, в особенности пресный, и снег — очень хорошие отражатели. Если чистая вода поглощает около 80 % поступающей радиации, то морской лед может отражать до 80 % и более. Вследствие этого суша и океаны получают меньше солнечной радиации, так как значительная часть ее отражается ледяной поверхностью. Во-вторых, образование морского льда в значительной мере уменьшает взаимодействие океана с атмосферой, задерживая распространение конвекции в глубь океана. В-третьих, прямые и рассеянные лучи Солнца легко проходят через ледяной покров и, достигая верхнего слоя воды, почти целиком поглощаются. Обратной отдачи подледной водой тепла в атмосферу не происходит, так как лед задерживает длинноволновое излучение и создает, подобно стеклу, парниковый эффект. Перенос тепла должен осуществляться уже через лед — весьма плохой проводник тепла. Благодаря этому лед не только предохраняет лежащие под ним слои воды от охлаждения, но и способствует их нагреванию. В-четвертых, в покрытых льдом полярных областях процессы переноса тепла и скрытой теплоты парообразования, важнейшие в тепловом балансе океана, фактически останавливаются. В итоге разность температур атмосферы между тропиками и полярными областями резко увеличивается. Это приводит к более энергичной циркуляции в глобальной системе ветров, что, в свою очередь, обусловливает более мощный атмосферный теплоперенос к полюсам.