Натурный эксперимент по образованию инфильтрационного льда в снежном покрове

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Натурный эксперимент по образованию инфильтрационного льда в снежном покрове

Чижова Юлия Николаевна

кандидат географических наук

старший научный сотрудник

Аннотация

Предметом исследования являются процессы изотопного фракционирования внутри снежного покрова при образовании в нем инфильтрационного льда (ледяных прослоев, корок). На ледниках умеренного климата инфильтрационные зоны льдообразования очень распространены и понимание процессов изотопного преобразования первичного сигнала атмосферных осадков при переходе снега в лед важно для разграничения типа льдообразования. Помимо рекристаллизационного преобразования снега в лед, на ледниках происходит образование инфильтрационного и наложенного льда, что должно сопровождаться изотопным фракционированием в виду отличия коэффициентов фракционирования между паром и жидкостью/льдом (выпадение осадков, которые в дальнейшем переходят в лед путем уплотнения и перекристаллизации) и жидкостью и льдом (конжеляционное льдообразование). Был выполнен натурный эксперимент образования инфильтрационного льда внутри снежной колонки при искусственной стимуляции таяния снега с поверхности. Основным методом являлось изучение изозтопного состава кислорода и водорода снега и образованного из него льда. Первичный снег был гомогенизирован, после 14-дневного эксперимента внутри снежных колонок произошла дифференциация снега по изотопному составу кислорода и водорода. Значения д18О и дD описываются уравнением регрессии с угловым коэффициентом 5. Такие угловые коэффициенты характерны для снежного покрова, в котором активно протекают процессы диффузии водяного пара. Инфильтрационный лед по изотопному составу кислорода и водорода незначительно отличается от первоначального снега.

Ключевые слова: изотопы кислорода, изотопы водорода, изотопное фракционирование, снег, эксперимент, лед, Кавказ, Полярный Урал, инфильтрация, изотопная трансформация

Abstract

инфильтрационный лед таяние покров

The processes of isotope fractionation inside the snow cover during the formation of infiltration ice (ice interlayers, crusts) are considered. On the temperate glacier zones of infiltration, ice formations are very common, and an understanding of the processes of isotopic transformation during snow-ice transition is important for distinguishing the type of ice formation. In addition to recrystallization transformation of snow into ice on the glaciers, the formation of infiltration and superimposed ice occurs, which should be accompanied by isotopic fractionation due to the difference in the fractionation coefficients between vapor and liquid/ice (precipitation) and liquid and ice (congelation ice formation). A field experiment was performed on the formation of infiltration ice inside a snow column with artificial stimulation of snow melting from the surface. The main method was the study of the isotopic composition of oxygen and hydrogen of snow and ice. Primary snow was homogenized, after a 14-day experiment inside the snow columns, a differentiation of snow by the isotopic composition of oxygen and hydrogen occurred. The values of д18О and дD are described by a regression equation with a slope 5. Such slope indicates water vapor diffusion processes. Infiltration ice on the isotopic composition of oxygen and hydrogen is slightly different from the original snow. 

Keywords:

Caucasus, ice, experiment, snow, isotope fractionation, hydrogen isotopes, oxygen isotopes, Polar Urals, infiltration, isotopic transformation 

Введение

Вопросы льдообразования на ледниках в разных климатических условиях являются одной из актуальных задач гляциологии, особенно в виду чуткой реакции ледников на современные изменения климата. В таких крупных ледниковых системах, как Эльбрус, в последние годы происходит столь интенсивное таяние, что это сказывается не только на сокращении площади льда, но и на изменение пространственного сочетания зон льдообразования. При этом ледники Полярного Урала, возможно, находятся в более стабильном положении в виду того, что они существуют за счет больших объемов перевеянного снега ниже климатической снеговой линии, а льдообразование на них, как правило, происходит путем образования наложенного льда. Однако, здесь есть свои особенности, связанные с конжеляционным льдообразованием и количеством пористого снежно-фирнового остатка, промоченного талыми водами. Считается, что наложенный лед образуется в начале сезона таяния, когда первые талые воды в снежном покрове достигают холодной поверхности льда и образуют слой конжеляционного льда, и в конце, когда остаток талых вод на леднике замерзает с наступлением зимнего периода. Если образование рекристаллизационного льда в высоких зонах ледника как правило, не сопровождается изотопными постседиментационными эффектами и изотопный состав кислорода и водорода льда наследует первичные изотопные характеристики снежных осадков, то при образовании инфильтрационного и наложенного льда такие эффекты могут возникать. Целью настоящей работы являлось установление изотопных эффектов, сопровождающих образование инфильтрационного льда внутри снежной колонки при искусственной стимуляции таяния снега с поверхности.

Объекты и методы

Эксперимент по намораживанию ледяных корок в снежном покрове был проведен в феврале 2018 г., в ходе которого было инициировано изотопное распределение внутри изначально однородного снега. Свежий снег объемом 5 л был хорошо перемешан и помещен в две (для контроля) пластиковые тубы одинакового объема (туб1 и туб2). Этот гомогенизированный снег в условиях отрицательных температур был подвергнут нагреванию сверху потоком теплого воздуха в течение 5 минут. Затем эти колонки были оставлены на две недели в условиях слабоотрицательных температур (-5 °С) внутри естественного снежного покрова на метеообсерватории МГУ имени М.В.Ломоносова. Воздухообмен с поверхности был сохранен, выпадение на поверхность новых порций осадков было исключено. Через две недели снег из пластиковых туб был отобран послойно, в каждой из колонок внизу наблюдался слой инфильтрационного льда.

В отобранных образцах был выполнен анализ изотопного состава кислорода и водорода на изотопном анализаторе T-LWIA-45-EP в РХТУ им. Д.И.Менделеева. Для измерений использовались международные изотопные стандарты LGR#1C, LGR#2C, LGR#3C, LGR#4C, LGR#5C.

Результаты

Значения д18О и дD опробованного снега и инфильтрационного льда незначительно отличаются от начальных значений гомогенного снега (д18О = -16,41‰ и дD=-125,2‰), максимальное различие составило 1,72‰ по д18О и 10,3‰ по дD, при этом в инфильтрационном льду значения составили д18О = -16,12 и -16,1‰ и дD = -123,2 и -122,5‰ в тубе1 и тубе2 соответственно (рис. 1). Это означает, что инфильтрационный лед в общем отражает начальные изотопные характеристики снега, отличия находятся в пределах точности метода. Но также было отмечено, что изотопная дифференциация, произошедшая в снежных колонках, привела к тому, что полученные изотопные значения описываются уравнением дD = 5,01 д18О - 41,8 (RІ = 0,98).

Рис. 1. Распределение изотопных (д18О, дD) характеристик снега и инфильтрационного льда в снежных колонках к концу эксперимента относительно первоначального состава снега

Такой наклон линии регрессии указывает на процессы изотопного фракционирования, происходящие в условиях конжеляционного льдообразования в закрытой системе и при диффузионном переносе пара при рекристаллизации снега внутри снежного покрова.

Дискуссия

Основным механизмом, ответственным за низкие угловые коэффициенты на изотопной диаграмме, является диффузионный перенос пара при рекристаллизации снега. Изотопные изменения, сопровождающие метаморфизм снега в природных условиях, получили малое признание. Отмечалось [1], что содержание 18О в слое глубинной изморози было выше, чем в остальном снеге. В работе [2] изучение распределения изотопов кислорода и водорода в естественном снежном покрове было направлено на установление механизмов формирования глубинной изморози. Многолетнее исследование естественного снежного покрова, залегающего на разных поверхностях, показало, что главным фактором, ответственным за изотопные изменения, является термический градиент. Наличие термического градиента в снежном покрове приводит к переносу паpа от нижних кpисталлов к веpхним вдоль гpадиента давления водяного паpа, обpазованного темпеpатуpным гpадиентом в снежном покpове. При этом происходит возгонка снега и конденсация водяного пара на растущих ледяных кристаллах по мере того, как пар двигается вертикально сквозь снег. В результате чего формируется горизонт глубинной изморози, и этот процесс сопровождается изотопным фракционированием, обусловленным молекулярной диффузией водяного пара в поровом пространстве. В эксперименте [2] были опробованы образцы снега из разных горизонтов снежного покрова, залегающих на земле (естественные условия), на земле, покрытой пластиковой пленкой, и на столе и показано, что горизонт глубинной изморози формируется при термическом градиенте и сопровождается изотопным фракционированием. В этих горизонтах углы наклона прямой зависимости дD от д18О изменялись от 3 до 4,3 в противоположность другим снежным горизонтам, в которых наклон составлял от 7,4 до 8,8. Как отмечается в работе [2] углы наклона от 2 до 5 характеризуют процессы изотопного фракционирования вследствие диффузии водяного пара в поровом пространстве. Диффузионное разделение является функцией отношения относительных масс молекул, фактор разделения выражается как ? = 1-б, где б - фактор фракционирования = R/R0, и R - отношение тяжелых молекул к легким. И таким образом,

? D = 1 - б D = 1 -  = 0,01664

? 18O = 1 - б 18O = 1 -  = 0,03236.

Отношение двух факторов разделения дает наклон в 1,95 [3].

Однако, надо помнить, что сублимация и возгонка снежных кристаллов, равно как и диффузия в жидких пленках воды, не затрагивает весь кристалл, а происходит только на его границе, весь снег не переходит одновременно в пар, поэтому диффузионные процессы в снеге происходят ограниченно и наклонов порядка 1,95 в экспериментальном снежном покрове не наблюдалось.

В самых нижних частях естественного снежного покрова диффузионные процессы наиболее важны в переносе массы, в то время как в вышележащих слоях снега преобладает обмен с атмосферным паром. В экспериментальном снежном покрове с горизонтами глубинной изморози в работе [4] было показано, что при наличии термического градиента угловые коэффициенты дD-д18О от 3 до 4 могут быть связаны одновременно с двумя механизмами - диффузией водяного пара и перемещением молекул в квазижидких пленках по поверхности кристаллов.

В лабораторном изучении метаморфизма снега [5] угол наклона прямой зависимости дD от д18О во всех образцах из экспериментального снежного покрова, который подвергся температурному градиенту составил 3,0. В этом эксперименте в морозильной камере снежный покров не контактировал с атмосферным водяным паром, пар постоянно удалялся из снега и перемещался на спирали морозильной камеры. В другом лабораторном исследовании метаморфизма снега [5] угол наклона прямой изменялся от 4,0 до 4,5, что снова гораздо ниже, чем для естественного снега. В этом опыте снег был запечатан в пластиковые мешки и также изолирован от обмена с атмосферным паром. Возможно, именно поэтому были получены такие низкие угловые коэффициенты для слоя снега, подвергнутого термическому градиенту, поскольку весь пар удалялся, а в естественных условиях этот пар распределяется по вышележащим снежным горизонтам и реконденсирует на поверхности снежных кристаллов. Поэтому в вышележащих горизонтах угловые коэффициенты выше, также из снежного покрова происходит частичная потеря водяного пара. Тем не менее, если рассматривать всю мощность снежного покрова, то наличие горизонтов глубинной изморози с низкими наклонами компенсируется наличием снежных горизонтов с высокими наклонами. Если учесть, что при формировании ледникового льда происходит усреднение изотопных значений, то даже интенсивные процессы формирования горизонтов глубинной изморози с выраженной изотопной трансформацией, не должны существенно влиять на модификацию начальной амплитуды значений дD и д18О в снежных осадках.

Полученный в данной работе результат, показавший незначительное изменения изотопных характеристик снега при формировании слоя инфильтрационного льда, вполне согласуется с эффектами, наблюдающимися для ледникового льда Кавказа. На ледниках Эльбруса слои инфильтрационного льда в значительной степени отражают атмосферный сигнал [6], а снег, трансформированный процессами диффузии водяного пара, скорее всего стаивает в период абляции. В целом же для Приэльбрусья процессы изотопной постседиментационной трансформации снежной толщи мало выражены, как правило, в сезонной снежной пачке в области аккумуляции хорошо выражены сезонные слои снега (более легкие зимние и более тяжелые летние), а соотношение дD-д18О описывается угловым коэффициентом близким к 8 [6]. А на ледниках Полярного Урала ситуация принципиально отличается, поскольку там в виду их морфологии и условий существования, вся поверхность ледников подвергается таянию в период абляции. Присутствие большого количества талой воды в нестаявшем снежном остатке приводит к тому, что при замерзании такого водонасыщенного слоя в начале зимнего сезона, возникают условия закрытой системы.

Динамика значений д18О и дD льда, образующегося в закрытой системе при замерзании воды, отражает рэлеевское исчерпание. В процессе формирования льда, значения дD и д18О определяются величинами коэффициентов фракционирования в системе жидкость-лед [7] б18O= 1.00291 бD= 1.0212. Порции льда, образованного в таких условиях, будут аппроксимироваться линейным уравнением дD-д18О с коэффициентом от 6,2 до 7. Участие этого процесса - изотопного фракционирования при льдообразовании в условиях закрытой системы, было отмечено нами на ледниках Полярного Урала [8, 9].

Выводы

1. Инфильтрационный лед по изотопному составу кислорода и водорода незначительно отличается от первоначального снега. Между значениями д18О и дD в снеге и инфильтрационном льду отмечены очень тонкие эффекты, выраженные в утяжелении на 0,3‰ по д18О и на 2‰ дD во льду относительно снега, при этом на парной диаграмме сдвиг значений происходит вдоль линии тренда с угловым коэффициентом 6,8, что характерно для конжеляционного льдообразования. В виду того, что сдвиг очень незначительный, этим эффектом можно пренебречь.

2. Выраженные изотопные эффекты при образовании наложенного льда на ледниках Полярного Урала связаны не с чисто инфильтрационным льдообразованием, а с замерзанием талой воды на пористой поверхности ледника, что приводит к созданию условий закрытой системы.

3. В ходе эксперимента внутри однородного снега произошла дифференциация по изотопному составу и образовались изотопно-отличающиеся снежные горизонты. Изотопные характеристики снега формируют линию регрессии с наклоном 5, что указывает на процессы изотопного фракционирования, происходящие при диффузионном переносе пара при рекристаллизации снега внутри снежного покрова.

Библиография

Размещено на Allbest.ru