Природные холодильники Земли

Е.М. ЗИНГЕР
главный специалист
Института географии Российской академии наук,
Почетный полярник

Край ледникового покрова Антарктиды Фото Н.И. Осокина

аука о льдах — гляциология (от латинского glacies — лед и греческого logos — учение) — зародилась в конце XVIII в. в альпийских горах. Именно в Альпах люди с незапамятных времен жили около ледников. Однако только во второй половине XIX в. исследователи всерьез заинтересовались ледниками. Сейчас гляциология помимо ледников изучает твердые осадки, снежный покров, подземные, морские, озерные и речные льды, наледи, и ее стали воспринимать шире — как науку обо всех видах природного льда, существующего на поверхности Земли, в атмосфере, гидросфере и литосфере. В последние два десятилетия ученые рассматривают гляциологию как науку о природных системах, свойства и динамика которых определяются льдом.
Исторически гляциология выросла из гидрологии и геологии и до середины XX столетия считалась частью гидрологии. Ныне гляциология превратилась в самостоятельную отрасль знания, лежащую на стыке географии, гидрологии, геологии и геофизики. Вместе с мерзлотоведением (иначе — геокриологией), изучающим вечную мерзлоту, гляциология представляет собой часть науки о криосфере — криологии. Греческий корень «крио» означает холод, мороз, лед. В настоящее время в гляциологии широко используются методы физических, математических, геофизических, геологических и других наук.
Суть современной гляциологии составляют проблемы, обусловленные пониманием места и значения снега и льда в судьбах Земли. Лед — одна из самых распространенных горных пород на нашей планете. Им занято больше 1/10 площади суши земного шара. Природные льды существенно влияют на формирование климата, на колебание уровня Мирового океана, сток рек и его прогноз, на гидроэнергетику, стихийные бедствия в горах, на развитие транспорта, строительство, организацию отдыха и туризма в полярных и высокогорных районах.
На поверхности Земли ежегодно образуются или постоянно существуют снежный покров, ледники, подземные льды... Они занимают площадь от долей процента в тропиках до 100% в полярных областях, где особенно заметно влияют на климат и окружающую природу.
Наиболее чистый и сухой снег, покрывающий ледники, отражает до 90% солнечных лучей. Таким образом, более 70 млн км² снежной поверхности получают тепла намного меньше, чем территории, на которых снега нет. Вот почему снег сильно охлаждает Землю. Кроме того, снег обладает еще одним удивительным свойством: он интенсивно излучает тепловую энергию. Благодаря этому снег еще больше охлаждается, и покрытые им огромные пространства земного шара становятся источником глобального охлаждения.
Снег и лед образуют своеобразную земную сферу — гляциосферу. Ее отличают наличие воды в твердой фазе, замедленный массообмен (полная замена льда в ледниках происходит в результате круговорота вещества в среднем примерно за десять тысяч лет, а в Центральной Антарктиде — за сотни тысяч лет), высокая отражательная способность, особый механизм воздействия на сушу и земную кору. Гляциосфера — неотъемлемая и самостоятельная часть планетарной системы «атмосфера — океан — суша — оледенение». В отличие от суши, морей, внутренних вод и атмосферы снежно-ледовая сфера в прошлом на некоторых этапах истории Земли полностью исчезала.
Древние оледенения были вызваны похолоданием климата Земли, который на протяжении всей ее истории претерпевал неоднократные изменения. Теплые времена, способствовавшие развитию жизни, сменялись периодами сильных похолоданий, и тогда огромные ледниковые покровы занимали обширные территории планеты. На протяжении геологической истории оледенения повторялись через каждые 200—300 млн лет. Средняя температура воздуха на Земле в ледниковые эпохи была на 6—7 °С ниже, чем в теплые эпохи. 25 млн лет назад, в палеогеновом периоде, климат был более однородным. В последующий, неогеновый, период наступило общее похолодание. На протяжении последних тысячелетий большие ледниковые образования сохраняются только в полярных областях Земли. Ледниковый покров Антарктиды существует предположительно больше 20 млн лет. Около двух миллионов лет назад ледниковые покровы возникли и в Северном полушарии. Они сильно менялись в размерах, а порою и вовсе исчезали. Последнее крупное наступание ледников происходило 18—20 тысяч лет назад. Общая площадь оледенения в то время превышала современную по крайней мере в четыре раза. Среди причин, вызывающих изменения оледенения на протяжении десятков миллионов лет, академик В.М. Котляков на первое место ставит преобразование очертаний материков и распределения океанических течений, обусловленные дрейфом континентов. Современная эпоха является частью ледникового периода.

***

Горный ледник на Шпицбергене Фото Н.И. Осокина

Если для человека, далекого от гляциологии, понятие «прошлогодний снег» обычно означает что-то уже не существующее, невероятное или просто пустое или смешное явление, то любой гляциолог и даже студент-географ знает, что, не будь прошлогодних снегов, не было бы и самих ледников.
Каждый год триллионы тонн снега выпадают из атмосферы на поверхность нашей планеты. Ежегодно в Северном полушарии снежный покров устанавливается на огромной площади, равной почти 80 млн км², а в Южном — на вдвое меньшей.
Снег рождается в облаках, где относительная влажность воздуха достигает 100%. Чем выше температура воздуха, при которой появляются на свет бесчисленные разновидности снежинок, тем больше их размеры. Самые мелкие снежинки возникают при низких температурах воздуха. При температурах же, близких к нулю градусов, обычно наблюдаются крупные хлопья, которые образуются в результате смерзания отдельных маленьких снежинок.
Но вот атмосферные кристаллы отложились на земной поверхности и образовали на ней снежный покров. На его плотность и строение заметно влияют температура воздуха и ветер. Более высокие температуры способствуют тому, что снежные частицы слипаются между собой и создают весьма компактную массу. Сильный ветер может поднять и перенести снег в приземном слое с одного места на другое, превратив его в мельчайшие обломочки, которые уже лишены красивых ажурных лучей. Чем сильнее ветер, тем больше снега сдерет он с поверхности, тем плотнее его упакует.
Но частицы снега не могут путешествовать бесконечно: они тесно прижмутся друг к другу и застынут в виде твердого сугроба или в конце концов испарятся. В течение нескольких часов штормовой ветер создает очень плотные гребни — заструги, которые нога человека не в силах продавить.
Проходит зима. Солнце все выше поднимается над горизонтом. Его весенние лучи пытаются растопить снег, накопившийся в холодное время года. Однако снег начинает таять только тогда, когда теплый воздух сможет нагреть его до нулевой температуры. Поскольку на таяние расходуется очень большое количество тепла, воздух в многоснежных районах Земли прогревается значительно медленнее и его температура продолжает еще долго оставаться относительно низкой. В Антарктике и Арктике, а также на высоких горах умеренного пояса планеты скупого летнего таяния обычно не хватает, чтобы успеть растопить за короткий срок весь сезонный снег. С наступлением очередной зимы на перелетовавший¹ остаток прошлогоднего снега откладывается новый слой, а еще через
год — другой. Так постепенно накапливаются и спрессовываются огромные массы многолетнего снега — фирна. Из его пластов со временем образуется лед. Достигнув некоторой толщины, он начинает крайне медленно двигаться вниз по уклону. Попав в более теплую зону, масса льда «разгружается» — тает. Такова грубая схема возникновения ледника. Толковый гляциологический словарь под словом ледник понимает массу льда, образовавшуюся преимущественно из твердых атмосферных осадков, испытывающую вязко-пластическое течение под действием силы тяжести и принявшую форму потока, системы потоков, купола или плавучей плиты. Различают ледники горные и покровные.
Ледник существует в условиях, когда выше снеговой линии накапливается твердых атмосферных осадков больше, чем их растает, испарится или израсходуется каким-либо другим способом. На ледниках выделяют две области: область питания (или аккумуляции) и область расхода (или абляции). Абляция, помимо таяния, включает также испарение, сдувание ветром, обвал льда и откалывание айсбергов. Ледники движутся из области питания в область расхода. Высота снеговой линии может колебаться в очень широких пределах — от уровня моря (в Антарктике и Арктике) до высоты 6000—6500 метров (в Тибетском нагорье)². Вместе с тем на самом севере Уральского хребта и в некоторых других районах земного шара встречаются ледники, которые расположены ниже климатической снеговой линии³.
Размеры ледников могут быть самые различные — от долей квадратного километра (как, например, на севере Урала) до миллионов квадратных километров (в Антарктиде). Благодаря движению ледники осуществляют заметную геологическую деятельность: они разрушают подстилающие горные породы, переносят и откладывают их. Все это вызывает значительные изменения рельефа и высоты поверхности. Ледники изменяют местный климат в сторону, благоприятствующую их развитию. Лед «живет» внутри ледников необычайно долго. Одна и та же его частичка может существовать сотни и тысячи лет. В конце концов она растает или испарится.
Ледники представляют собой один из важнейших компонентов географической оболочки Земли. Они покрывают около 11% площади земного шара (16,1 млн км²). Объем льда, заключенный в ледниках, примерно равен 30 млн км³. Если бы удалось разложить его ровным слоем по поверхности земного шара, то толщина льда оказалась бы равной приблизительно 60 м. B таком случае средняя температура воздуха на поверхности Земли стала бы намного ниже, чем сейчас, и жизнь на планете прекратилась бы. К счастью, подобная перспектива сегодня нам не угрожает. Если все же представить себе совершенно невероятное в наши дни мгновенное глобальное потепление, которое повлекло бы за собой одновременное быстрое таяние всех ледников Земли, то тогда уровень Мирового океана поднялся бы ориентировочно на 60 м.
В результате этого густонаселенные прибрежные равнины и крупнейшие морские порты и города оказались бы под водой на площади 15 млн км². На протяжении прошлых геологических эпох колебания уровня моря были значительно бо’льшими, ледниковые покровы возникали, а затем стаивали. Наиболее крупные колебания ледников приводили к чередованию ледниковых и безледниковых периодов. Средняя толщина современных ледников составляет около 1700 м, а максимальная из измеренных превышает 4000 м (в Антарктиде). Именно за счет этого ледяного континента, а также Гренландии средняя толщина современных ледников столь высока.
В наше время ледники распространены очень неравномерно благодаря различным климатическим условиям и рельефу земной поверхности. Около 97% общей площади ледников и 99% их объема сосредоточены в двух колоссальных покровах Антарктиды и Гренландии. Не будь этих природных холодильников, климат 3емли был бы значительно более равномерным и более теплым от экватора до полюсов. Не было бы и такого разнообразия природных условий, какое имеется сейчас. Существование обширных шапок льда в Антарктике и Арктике усиливает температурный контраст между высокими и низкими широтами Земли, благодаря чему происходит более энергичная циркуляция атмосферы всей планеты. Антарктида и Гренландия играют в наше время одну из главных ролей в формировании климата всего земного шара. Поэтому оба крупнейших района современного оледенения иногда образно называют главными дирижерами климата Земли.
Ледники — чуткие индикаторы изменения климата. По их колебаниям ученые судят о его эволюции. Ледники производят гигантскую геологическую работу. Например, в результате грандиозной нагрузки крупных ледниковых покровов земная кора прогибается на глубину сотен метров, а при снятии этой нагрузки поднимается. Повсеместное сокращение ледников за последние 100—150 лет согласуется с глобальным потеплением (около 0,6 °С за этот же период). Прежние размеры ледников можно реконструировать по положению их морен — валов из обломков горных пород, отложенных во время наступаний ледников. Определив время формирования морен, можно установить время прошлых подвижек ледников.
Ледники — важнейшие водные ресурсы планеты. Лед — мономинеральная горная порода, которая представляет собой особую, твердую, фазу воды.
В богатейших ледяных кладовых планеты бережно хранится самая чистая на свете вода. Ее количество равно стоку всех рек мира за последние 650—700 лет. Масса ледников в 20 тысяч раз больше массы речных вод.
Человечество пока еще недостаточно хорошо знает о хранилищах твердой воды. С целью их изучения в Институте географии АН СССР в 60—70-х годах под руководством проф. В.М. Котлякова была проделана огромная работа по созданию многотомной серии уникального гляциологического произведения — «Каталога ледников СССР». В нем даны систематизированные сведения о всех ледниках СССР с указанием основных характеристик их размеров, формы, положения и режима, а также состояния изученности.
Помимо существенного влияния на климат ледники воздействуют на жизнь и хозяйственную деятельность людей, живущих по соседству с ними. Человек вынужден считаться с необузданным характером ледников. Временами они пробуждаются и представляют грозную опасность. Грандиозные скопления снега и льда в горах нередко порождают такие стихийные явления природы, как грязекаменные потоки — сели, лавины, резкие подвижки и обвалы концевых участков ледников, подпруды рек и озер, наводнения и паводки.
У всех на слуху недавняя катастрофическая подвижка ледника Колка в Северной Осетии⁴.
Пульсирующие ледники есть во многих районах Земли. Большое количество их выявлено в Северной и Южной Америке, Исландии, Альпах, Гималаях, Каракоруме, Новой Зеландии, на Шпицбергене, Памире, Тянь-Шане. На территории России они встречены в горах Кавказа, Алтая, Камчатки. Значительное число пульсирующих ледников заканчивает движение в прибрежных водах Арктики и Антарктики. Колебания полярных ледников служат надежным природным индикатором глобальных изменений климата. Бороться с ледяными «пульсарами» невозможно. Гораздо важнее научиться правильно предсказывать их подвижку.
В различных районах земного шара созданы многочисленные обсерватории и научные станции, где в труднейших природных и климатических условиях исследователи ведут наблюдения на ледниках, изучают их особенности и повадки. Соседство с ледниками таит в себе одновременно и пользу, и опасность. С одной стороны, они снабжают человека и его хозяйство питьевой и технической водой, а с другой — создают дополнительные хлопоты и просто угрозу, так как могут быть источниками катастроф. Поэтому сегодня гляциологические исследования имеют непосредственное народнохозяйственное значение, и уже сейчас требуются квалифицированные советы ученых-гляциологов при решении важных проблем, связанных с развитием в горах и полярных районах гидроэнергетики и горнодобывающей промышленности, со строительством. Таким образом, помимо чисто научного, гляциология приобрела в последнее время и большое практическое значение, которое будет усиливаться в дальнейшем. Роль гляциологии постоянно растет, поскольку в общественное производство вовлекаются все новые районы с длительно существующим снежно-ледовым покровом и суровым климатом. В России — это северное побережье страны, омываемое на огромном расстоянии Северным Ледовитым океаном, бескрайние просторы Сибири, высокогорья Кавказа, Алтая, Саян, Якутии, Дальнего Востока.
Планомерное изучение ледников началось относительно недавно. Особенно интенсивно оно стало развиваться в конце 50-х годов. День 1 июля 1957 г. вошел в мировую историю как начало грандиозного научного мероприятия — Международного геофизического года (сокращенно МГГ). Тысячи ученых из 67 стран Старого и Нового Света объединили тогда свои усилия, чтобы выполнить по единой программе комплексные исследования глобальных геофизических процессов в период максимальной солнечной активности. Впервые одним из главных разделов изучения Земли сделалась гляциология. Свыше 100 ледниковых станций работали во время МГГ от Северного до Южного полюса. Благодаря этому наши знания о современном оледенении земного шара заметно расширились. После окончания работ МГГ гляциологическая наука получила всеобщее признание среди других наук о планете.
Наступило время, когда гляциологи разных стран приступили к комплексным исследованиям на грандиозных ледниковых покровах Антарктиды и Гренландии, на полярных архипелагах и островах, в высокогорных районах Земли. Оледенение Антарктики и Арктики, в отличие от оледенения умеренных широт, напрямую взаимодействует с океаном. Сток льда в океан остается самым неизученным процессом и одним из самых главных с точки зрения гляциологии глобальных и региональных изменений климата и природной среды в Арктике.
Сегодня гляциология накопила огромный фактический материал о природных льдах Земли. В течение многих лет под руководством академика В.М. Котлякова в Институте географии АН СССР (ныне РАН) велась кропотливая работа по созданию уникального Атласа снежно-ледовых ресурсов мира; в 1997 г. он вышел из печати, а в 2002 г. был отмечен Государственной премией Российской Федерации. В этом уникальном собрании многочисленных карт отражено состояние снежно-ледниковых объектов и явлений на период 60—70-х годов XX в. Все они необходимы для сравнения с последующими их изменениями под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов. Атлас позволяет качественно, а в ряде случаев и количественно оценить значение снежно-ледовых явлений на всех уровнях — от речного бассейна до системы «атмосфера — океан — суша — оледенение», подсчитать запасы снега и льда как важную часть водных ресурсов. Современные научные знания о формировании, распределении и режиме снега и льда на Земле, представленные в Атласе, открывают обширные перспективы развития гляциологических и смежных отраслей науки о нашей планете и способствуют дальнейшему освоению многих территорий земного шара. Накопленные за последние десятилетия обширные гляциологические материалы позволяют гляциологам ближе подойти к решению целого ряда актуальных теоретических вопросов ледниковедения.

¹ В обиходе глагол “перелетовать” употребляется гораздо реже, чем “перезимовать”. Гляциологи же пользуются им очень широко. Пятна снега на склонах, просуществовавшие до образования снежного покрова, называются перелетками (не перелётками!). — Здесь и далее прим. ред.
² См.: К.С. Лазаревич. Снеговая линия//География, № 18/2000, с. 3.
³ Подробнее см.: Е.М. Зингер. Миниатюрные ледники Урала//Там же, с. 4.
⁴ См.: Н.И. Осокин. Ледниковая катастрофа в Северной Осетии//География, № 43/2002,
с. 3—7.