Гляціологія – наука про льодовики
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Перед нами льодовик і наше завдання — з ним познайомитися. Здавалося б, немає легше завдання у географа. Адже льодовик — це не ліс зі всякими там деревами, чагарниками, ґрунтами і сотнями видів мешканців, до яких звертаєшся з питанням «хто?»; це навіть не хмара, яка може метати блискавки, а може їх і не метати, це всього навсього великий шматок льоду. А той, що служить нам об’єктом щорічних обстежень, – навіть не дуже великий: кілометр в довжину та метрів чотириста в ширину.
Це льодовик Обручева на Полярному Уралі. Обмірити його вздовж і впоперек, подивитися, куди і як швидко він повзе, скільки снігу випадає на нього зимою, скільки льоду тане влітку, чи він збільшується або зменшується. І все. Майже лабораторний експеримент. На жаль, не так-то все просто. На жаль, наша лабораторія не замикається на замок. Приїжджайте на наступний рік – всі здобуті цифри вже застаріли, у льодовика не та довжина і не та ширина, він вже не росте, а скорочується… І не завжди можна пояснити, чому це так.
Частково ми безсилі в своїх прогнозах тому, що до льодовиків довгий час ставилися споживацьки; займалися ними лише гідрологи. Потрібно було знати, скільки води отримують і будуть отримувати річки, що харчуються з гір. Сам же льодовик залишався «річчю в собі». Спеціальна галузь знань – гляціологія, і виникла всього століття тому. Тому відомості про льодовики були в основному описовими. Тим часом в сучасному своєму вигляді це наука складна.
Льодом, як відомо, займається фізика твердого тіла і мінералогія. Льодом, що становить частину планети Земля – геофізика, льодом – гірською породою, до того ж вельми активною — геологія. Льодом — перетворювачем земного рельєфу — геоморфологія. Льодом — продуктом клімату — кліматологія. Льодом — джерелом річкової води — гідрологія. Перелік на цьому не закінчується… Географія, точніше, її нащадок — гляціологія, повинна об’єднати ці лики льодовика в одну особу, а математика і сучасна методика експериментів зробити науковий портрет його схожим на дійсний вигляд. Подібний, до речі, «бригадний» метод пізнання типовий для наук про Землю.
Надали такий сучасний вид гляціології останні півтора десятиліття. Але ніяких революцій тут поки не сталося. Життя льодовиків досі повне загадок, правда, дещо в ній вже відкривається нам.
Наші підопічні, льодовики Полярного Уралу, служать науці природними моделями; стаж їх служіння, правда, ще дуже невеликий. Лише недавно, років тридцять тому, було взагалі визнано їх існування; до тих пір вважалося, що льодовиків на таких низьких горах, як Урал, не може бути, так як лінія вічних снігів, а значить, і зона утворення льодовиків навіть над Полярним Уралом не опускається нижче півтора кілометрів.
А тут раптом на якихось п’ятистах метрах над рівнем моря виявилася сім’я крихітних, абсолютно справжніх льодовиків, ніби спеціально створених для потреб експериментальної гляціології.
Повноправність їх перебування на такій висоті зараз переконливо обґрунтована тим, що тут, на Півночі, в глибоких карах і улоговинах снігу за зиму наметається так багато, що він не встигає танути за коротке літо. Скупчившись, він пресується в фірн. Для народження будь-якого льодовика цього достатньо, будь він величиною в півкілометра або в тисячі кілометрів і проіснуй він потім десяток років або десяток тисячоліть. Народжуючись з відкладень снігу в своїх верхів’ях, він починає повільний невідворотний рух вниз, до своєї загибелі.
Не дуже ясно, як назвати цей рух: вчені довго сперечалися і ще сперечаються про те, яким чином рухається льодовик — тече він, повзе або шари його ковзають по дну і один по одному. Ще в 1830 році знаменитий «льодознавець» Агассіц довів, що льодовик у своїй середині рухається швидше, ніж по краях. Через шістдесят років інший гляціолог, Рід, виявив, що вектори швидкостей до того ж не паралельні поверхні; у своїх верхів’ях льодовик як би притискається до землі, а у язика він має намір відірватися від свого ложа. Ці спостереження стосувалися тільки поверхні. Пересування льоду на глибині простежити було важче, і механізми його в загальних рисах стали ясними лише в останні п’ятдесят років. Допомогла в цьому металургія. З’ясувалося, що лід поводиться, як і всяке полікристалічне тверде тіло (наприклад, метал), близьке до точки плавлення, іншими словами – в глибині льодовика лід пластичний. Деякі досліди підтверджують такий висновок, але далеко не всі гляціологи в ньому впевнені.
З цим висновком пов’язаний і інший — льодовик не моноліт. Кожен кристал рухається сам по собі, перебуваючи в той же час в складних відносинах з сусідами, складаючи з ними єдине ціле. Належить до кінця розкрити принципи поведінки цього цілого, і ми беремо участь в цьому розслідуванні.
Ось, скажімо, на поверхню льодовика падає сніжинка. Що з нею буде далі? Чи розтане вона? Чи потрапить вглиб і стане часткою багаторічного льоду? Чи проподорожує з льодом до язика? Скільки часу їй на це буде потрібно? Баран, знайдений в 1933 році Бітті і Харуэллом на льодовику Ляйелл в Іосемітському національному парку (США) і нині відомий всім гляциологам, потрапивши в тріщину у верхів’ях льодовика, він проблукав, як показують розрахунки, до його язика разом з льодом за двісті п’ятдесят років. Нам іосемітського барана замінюють вішки, розставлені з певною частотою і в певному порядку, вони роблять зримим життя льодовикової поверхні.
У світовій гляціології зараз кілька математичних моделей динаміки льодовиків. Але ще занадто мало практичних досліджень, які б показали, яка з моделей ближча до істини. Наскільки ж справжня картина необхідна, стає особливо очевидним, коли загадки, що загадуються льодовиками, доводиться вирішувати в терміновому порядку.
Всім відомі примхи “скачучого” льодовика ведмежого на Памірі. Кілька років він повільно і рівномірно повзе по долині у відповідності з усіма законами механіки, потім раптом викидає свій язик вперед на цілі кілометри, стрімко захоплює нову територію, погрожуючи Банчській долині потопами, зсувами та іншими лихами, а потім знову завмирає до наступного ривка, а язик його тане.
Ведмежий – не єдиний «скачучий» льодовик. Таке явище залишалося довго непоміченим тому, що люди рідко живуть в безпосередньому сусідстві з льодовиками.
Наш головний піддослідний – льодовик Обручева – нічим таким не примітний. Він поводиться «за правилами», тим зручніше на ньому з цими правилами познайомитися. Почали ми з малого – з регулярних стереофотометричних зйомок поверхні льодовика і точних вимірювань координат рухомих з нею точок – вішок. Тут доречно повторити стару істину про те, що буденна робота в науці виглядає по своїй скрупульозності занудно. Але ось накладені один на одного карти — результати зйомок і вимірів — показали нам, що розміри, форма і маса льодовика відчувають коливання зі складним частотним спектром. Як величезна амеба, льодовик то розпластується, то збирається в грудку, то витягується вперед, то підтискається.
Але на відміну від амеби він змінює і свою масу. Такий факт вже нудним не назвеш. Ось така картина. Поки відомо тільки найзагальніше тлумачення її – зміни клімату. У нашій владі розглянути і найперші ланки в ланцюзі клімат – льодовик: прибуток спад маси льодовика за рахунок опадів і танення, що ми і робимо. Інша частина ланцюга відносин льодовиків з кліматом залишається майже непізнаною, бо відносини ці дуже складні.
Відомо, що з початку XVIII століття до п’ятдесятих років XIX льодовики світу наступали. Цей час навіть назвали малим льодовиковим періодом. З шістдесятих років XIX століття вони почали відступати. А далі? Як передбачити нам це наперед?
Відступ гірських льодовиків зовсім не позначає однозначно потепління клімату. Льодовик може харчуватися і танути швидше або повільніше по сотням причин, що діють не окремо, а в сукупності. До того ж на кожен конкретний льодовик впливає не клімат взагалі, а мікроклімат в місці його знаходження. Навіть в одному і тому ж районі один льодовик може збільшувати свою масу, а його сусід в цей же час почне «худнути».
А крім того, хоча клімат, на думку фахівців, — головний винуватець змін льодовика, але і сам клімат відчуває певні впливи з боку льодовиків. Тому один льодовик — і навіть сотня їх окремо не може служити термометром земної кулі, а тим більше не допоможе передбачити, що стане з земним кліматом в майбутньому. Інша справа — математична модель їх типової поведінки: вона повинна допомогти визначити, чи живемо ми між малим і великим льодовиковими періодами, як стверджують багато вчених, або він зовсім скінчився.
Але розрахунок поведінки льодовика за його математичною моделлю вимагає знань, які можуть бути отримані тільки з спостережень. Матеріали наших спостережень (до речі, унікальні, в чому нам допоміг об’єкт досліджень, дуже вже неважко обміряти його), так от, матеріали спостережень декількох років за змінами на поверхні льодовика і рухом льоду сприяють з’ясуванню суті механізму коливань льодовика.
Перший етап аналізу вже дав результати, і дуже цікаві. З’ясувалося, наприклад, що межа між областю живлення льодовика, тобто площею, де збирається сніг, що поповнює льодовик, і тією областю, де льодовик втрачає свою основну масу, навіть при значних коливаннях зовнішніх умов (швидкості живлення та танення) стійко зберігає своє «планове положення».
Інший наш висновок підтверджує класичне уявлення про льодовик як про потік льоду, всупереч більш пізнім гіпотезам про ковзання і жорстке обертання. Рух льоду льодовика Обручева, за нашими спостереженнями – квазів’язка течія.
Чітко розмежувавши коливання льодовика, що пояснюються його «особистим життям (тобто процесами, що протікають у самому льодовику і на його дні), і ті, що викликані в основному змінами снігового навантаження на нього і швидкістю танення, ми встановили, що льодовик дуже чуйно, практично миттєво реагує коливаннями швидкості на коливання маси. Цей фізично зрозумілий і, здавалося б, очевидний факт досі залишався непоміченим.
Наші спостереження самі по собі настільки складні, що вимагають продовження. Їх потрібно продовжити на інших льодовиках. Без цього неможлива математична модель поведінки льодовика — основа прогнозу.
Автор: Д. Цвєтков.