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冰川

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热度635票 浏览1216次 时间:2011年5月20日 11:14

冰川

冰川 glacier

分布在两极或高山地区、能自行运动、长期存在的天然冰体。是陆地表面重要水体之一。由大气固态降水的积累演变而成。《世界冰川目录资料编辑指南》把面积超过 0.1平方公里的冰体作为冰川编目和统计的对象。以雪线(或称平衡线)为界一般把冰川划分为积累区(又称粒雪区)和消融区(又称冰舌区)。积累区的积雪变质成冰,经过运动输送到消融区,逐渐融化消失,由此构成一个冰川系统。

认识史  冰川的近代科学研究的第一阶段,集中在以欧洲阿尔卑斯为主的山地冰川。1750年A.C.博尔迪埃描述了冰的塑性。J.L.R.阿加西指明山谷冰川的最大流速出现在冰川中部,并向源头和末端递减。他发现在60米深的钻孔内温冰川的冰温接近0℃。19世纪末至 20世纪初,应用热钻查明了冰川表面流速远大于底部。摄影测量方法在冰川制图和冰川变化观测中得到应用。第二阶段,极地冰盖研究逐渐占首要地位,山地冰川的研究范围扩展到欧洲、亚洲和南北美洲的山区。1913年,J.P.科赫和A.L.韦格纳横贯格陵兰大冰盖,研究雪层,测量冰温,应用地震法探测冰盖厚度,是极地冰盖初期研究的代表。这一时期冰川的水文气象方向占主导地位。H.U.斯韦尔德鲁普对冰川热量平衡各要素的测量和分析、H.J.K.W.阿尔曼关于冰川的地球物理分类和R.芬斯特瓦尔德对于冰川运动中块体滑动的论述,反映出这时期冰川研究的深化。第二次世界大战后,冰川研究进入第三阶段,冰川物理研究和新技术应用迅速发展。П.А.舒姆斯基对成冰过程作了分类, J.W.格伦提出了冰流律, W.丹斯戈尔德通过冰盖深钻孔中冰岩心的 18O/16O含量比率的分析,探讨了气候变化。70年代以来,利用卫星影像研究全球范围的冰雪分布与气候的关系;遥测技术扩展了冰川观测范围和记录时间;雷达技术广泛用来测定冰川厚度;冰内部结构和结晶研究也有进展。中国现代冰川研究始于50年代末期。广泛考察了西部各大山系的冰川,初步查明了冰川分布规律及其对河流的作用;提出了中国山地冰川的分类;运用波动冰量平衡法计算预测冰川前进值和前进年限;对若干冰川作了精确的测量和制图。

冰川分布  两极和两极至赤道带的高山均有冰川分布,总面积达16227500平方公里,占世界陆地面积的11%。储水量估算为24064100立方公里,占世界淡水总量的68.7%。如果全球冰川都融化,海平面将升高70米左右。

冰川分类  按形态和规模冰川分大陆冰盖(简称冰盖)和山地冰川两大类。地球上有两大冰盖,即南极冰盖和格陵兰冰盖,它们占世界冰川总体积的99%,其中南极冰盖占90%。南极大陆除个别高峰外,几乎全部为冰覆盖。格陵兰是世界最大的岛屿,约有83%面积为冰川覆盖。山地冰川又称山岳冰川,广泛分布于不同纬度的山区,包括南极大陆和格陵兰的一些山区。山地冰川的特点是:冰川所在地的地形控制冰川流动方向,并决定冰川的亚类型。

冰川按温度状态,分为极地冰川、亚极地冰川和温冰川。凡整个冰层全年温度均低于融点的称极地冰川;表面在夏季融化,而冰层大部分温度低于融点的称亚极地冰川;表层冰温冬季低于融点,而整个冰层温度接近融点的称温冰川。温冰川主要分布在降水量丰富的海洋性气候地区,故又称海洋性冰川。

冰川冰  构成冰川的主要物质是冰川冰。冰川冰是由新雪逐步变质而成的。它不同于河流、湖泊冻结的水冻冰。

冰川冰的生成  新雪密度一般为 0.05~0.07克/厘米3,新雪的形态不稳定。雪降落到地面后开始圆化(或称粒雪化)。水分子顺着水汽压力方向,从雪片的尖端和边缘向凹处移动。晶体经过变圆、融化、再冻结、碰撞和压实或合并,数量减少,体积增大,冰晶体间孔隙减少,发展颈状连结。经过一个消融季节的雪就成为粒雪。温冰川的粒雪密度一般大于0.4~0.5克/厘米3。粒雪在自重压实下,进一步重结晶或经融水渗浸,产生再冻结。当密度达到0.82~0.84克/厘米3时,冰晶间的空气被封闭,成为气泡,粒雪失去透气性和透水性能,成为冰川冰。粒雪转化成冰川冰的时间从数年乃至数千年(见大陆冰盖)。冰川冰含气泡较多时,呈现乳白色。粒雪冰进一步受压,气泡受排挤压缩而出现浅蓝色冰川冰。冰川冰是大而形态不规则的相互连锁的单晶集合体。在冰川运动过程中,冰晶受动力变质作用,晶粒继续增大,粒径可超过100毫米,当剪应力大到可与压应力相比时,晶粒变小。在冰盖深处,冰中气泡可存在于冰晶中,杂质被排挤到晶粒间,因此,大冰晶内部非常纯净。

冰川冰的结构  不同成因的冰川冰,具有不同的结构。①由冰川表面或冰内、冰下水流冻结而成的冻结冰,具有一般水成冰的共同特点:半自形柱粒状结构,晶粒粗大,排列规则,晶体沿热流方向伸长,绝大部分气泡被排挤在冰界处。②由于融水渗入粒雪层、重新冻结而成的渗浸冰,具有半自形粒状结构,冰晶细小,多呈等粒、等轴的多边形。③在强烈消融时,在暂时不透水的厚冰片上或在盖有粒雪的冰川冰表面上形成的渗浸-冻结冰,具有上述两种冰的特点。重结晶冰的晶形细小,不规则,属等粒、等轴他形粒状结构。④在强度不同的各种力的作用下形成的变质冰,具有各种组构:冰晶主轴多数集中在两个相距约45°方位上的双极大型组构;与受压方向成一定倾角的环状组构;冰晶发生分裂、尺寸变小、主轴方位集中在与剪应力垂直方向上的单极大型组构;因剪应力松弛,冰内温度较高、冰晶体因重结晶作用而异常增大所造成的、晶体呈树枝状交叉的多极大型组构。

冰川冰的物理性质  ①力学性质。冰的变形具有弹性,但对冰川冰来说,更为重要的是塑性或蠕变。当一定剪应力长期作用于冰样,冰样首先发生弹性变形,继之以塑性变形。后者包括两个过程,即不破坏点阵连续性的冰晶内部的层间滑动和晶体边界发生大小形态变化的重结晶作用。在剪应力为常数的情况下,冰的塑性变形率开始时很高,以后逐渐转为一个稳定值。格伦冰流律表达冰的剪应变率与剪应力的关系。按此定律当剪应力增长1倍,应变率可增长8倍。应变率的大小与温度有关系,例如,在融点温度时,1巴的应力在1年内可使冰变形30%,在-15℃条件下,同样的应力在同样时间内,冰变形只有3%。冰流律表示冰的流动既不同于高粘性液体,也不同于完全的塑性体。②热学性质。冰的融解热为 79.7卡/克,比热容约为0.5卡/(克·摄氏度)。冰川表面从太阳辐射和暖空气中吸收的热量,大部分用于冰的融化,而当融水渗入积雪,遇冷再冻结所释放出来的热量,又足以提高冰温,因此在一些冰川上,出现了高处积雪层内温度反而高于低处冰舌上冰层温度的现象。冰层厚度(即静压力)每增加 1巴,融点降低0.0074℃。这样在 300米厚的冰川底部的融点比冰川表面低0.25℃。③光学和电学性质。新雪对太阳辐射的反射率为0.5~0.9,粒雪为0.3~0.65,冰川冰仅 0.15~0.35,对热红外波段,雪和冰的反射率小于0.01,冰和雪能高效率地吸收和反射长波辐射;更长波段(微波和无线电波)则可相对地穿透冰和干雪,而液态水的这种性质有很大差异。因此,微波探测技术被用来测量冰川的厚度,但冰中含有液态水就会给这种探测技术带来很大困难。

冰川运动  冰川积累区的冰层达到一定厚度时,坡度和冰自重所产生的剪应力就使冰按照冰流律开始运动。山谷冰川的冰流速表面大于深部,中央大于两侧,在平衡线附近流速最大,而向源头或末端流速降低,冰川运动部分由塑性变形或蠕变产生,部分是块体滑动,有些冰川有时呈现快速前进状态称为冰川跃动(surge)。

冰川的积累、消融和物质平衡  冰川的物质收入主要来源于积累区(粒雪区)的固态降水,而邻近山坡上的雪崩和风吹雪有时也占相当比重。一般说,积累区的气温较低,消融微弱甚至没有消融。积累使冰川厚度不断增加。积累区物质通过冰川运动,输送到下游消融区,那里气温较高,消融较强,除使冰面新雪完全融化外,还要融化相当厚度的从上游运动来的冰层。当运动来的冰量和消融量平衡时,冰川末端就呈现停滞状态。如果积累量超过消融量,则雪线下降,冰川厚度增加,冰流速加大,经过运动波传递到冰川末端,就可能导致冰川前进。反之,如果消融量超过积累量,则雪线上升,冰川厚度减小,运动速度降低,可能出现冰川末端的后退。冰川物质平衡取决于固态降水积累量的大小和热量的收支状况。

冰川变化  冰川变化表现在冰川末端的前进和后退,冰川厚度的增加和减小,冰川面积的扩大和收缩。冰川变化反应着气候变化,但要滞后一定时间。当气候变暖或变干时,冰川上的消融量增加或积累量减少,冰川就要后退、厚度减小,面积缩小。当气候变冷或变湿时,冰川上的消融量减少或积累量增加,冰川就要前进,厚度增加,面积扩大。

冰川作用  指冰川对地表的侵蚀和堆积作用、冰川在水文循环中的作用和冰川对于气候的影响。①冰川的侵蚀和堆积作用。冰川作为塑造地表形态的主要外营力之一,在冰川作用地区留下丰富的地貌遗迹。冰川侵蚀作用形成的冰川地貌称冰川侵蚀地貌,主要的有围椅形冰斗、U形冰槽谷、锯齿状刃背和角峰等。冰川堆积作用形成的冰川地貌称为冰川堆积地貌。冰川直接搬运堆积的岩块碎屑,统称为冰碛。冰碛岩块中特别巨大者称为漂砾。堆积在冰川末端的垅状冰碛称为终碛(尾碛),表示冰舌顺谷地伸展的下限;在冰川两侧的垅状冰碛称侧碛,侧碛顶部高度表示当时的冰面高度。按正在搬运中的冰碛(即运动中的冰碛),在冰川内的分布部位可分为:分布在冰面的表碛,分布在冰川内部的内碛和分布在冰川底部的底碛。冰川融化水流所沉积的岩块碎屑称为冰水堆积,多分布于冰川前端的外围或冰融水道中,特点是有一定的层次和磨圆。分布于冰融水道两侧的称冰水阶地,分布在冰川前端外围的形成冰水平原,沉积在冰湖岩盆中的叫冰湖沉积。大陆冰盖主要的蚀碛地貌有鼓丘、羊背岩、漂砾蛇形丘、冰砾阜、三角洲和冰水平原等。②冰川在水文循环中的作用。冰川接受大气固态降水,储存在冰川之内,通过融化,成为液态水,补充河流和海洋;少量蒸发,直接返回大气。从降水、冰体储存到融化、崩解入海和蒸发返回大气这一循环过程所需的时间约以万年计。中、低纬度山地冰川的水循环比冰盖的快得多。中国西部高山冰川的总储水量约为5000立方公里,每年融水量约55立方公里,加上蒸发,估计水文循环一次平均约70~80年。冰川有多年调节的作用,在干热年份,扩大消融,大量融水补给河流;在湿冷年份,增加积累,融水对河流的补给减少。③冰川对气候的影响。一般说,冰川是气候的产物,冰川变化反映气候变化。但是,冰川一经形成,对气候有反馈作用,成为气候形成的重要因子。冰雪对太阳辐射有很大的反射率,在冰雪地区可能接受的太阳辐射大大减少。冰雪消融需要消耗大量热能,因此,冰川表面气温一般比相邻的非冰川地面低2℃左右,而湿度却要高些。这有利于冰川区形成较多的降水。南极冰盖是一个巨大的“冷源”,在南极苏联东方站海拔3500米处,年平均温度为-56℃,而冬季最低温出现过-88.3℃南极大陆形成稳定而强大的冷高压,阻止气旋进入大陆中心,使大陆中心每年只有几十毫米的降水量。与南极冷源有关的经圈环流),越过赤道,影响到北半球包括中国在内的天气变化。中、低纬度的山地冰川对大范围的气候影响很小,但对地方气候的影响仍不可忽视。

冰川与人类生活  冰川是自然界重要的、有很大潜力的淡水资源。冰川水质良好。亚洲中部干旱区(包括中国西部、中亚、阿富汗、巴基斯坦和印度部分地区)历史悠久的灌溉农业的发展,相当程度上依赖着高山冰雪融水。在水能利用高度发展的阿尔卑斯山区和挪威,有大量水库修建在冰川末端以下河谷中,蓄积冰川融水发电。瑞士能源有一半以上靠冰川融水发电。人们还认真议论着拖拉从南极冰盖崩解到海洋上的冰山来补充一些国家的供水源。为了增加春旱期间的灌溉融水,中国和苏联等国家做过冰雪消融的人工调节试验。许多冰川景象瑰丽,是很好的旅游资源,在容易到达的山区,吸引许多游客。

冰川也可以导致灾祸。冰雪崩、冰湖溃坝洪水、冰川泥石流、冰川的突然快速前进等,常导致生命财产的重大损失。中国西藏东南部和南部、新疆的帕米尔和喀喇昆仑山区等地,冰川泥石流和冰湖溃坝洪水多次出现,造成灾害。在未来环境变化中,如果21世纪气候大幅度转暖,部分冰盖融化,导致海平面上升,将严重危害滨海低地人们的生产和生活。内陆地区冰川如因融化缩小,将会改变现有的供水情况,也会严重影响生产和生活。因此,正确地预报冰川变化是冰川学家当前的迫切任务。

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