Значение критической плотности снега, фирна, зернистого льда и ледникового льда

Значение критической плотности снега, фирна, зернистого льда и ледникового  льда

Введение понятия критической плотности дает возможность провести физическое различие между снегом и фирном, или зернистым льдом. В настоящее время термины «фирн» и «зернистый лед» используют как равнозначные для обозначения переходной субстанции между снегом и ледниковым льдом. Эти термины не определяются значениями каких-либо измеренных физических свойств; так называют любой снег, который пролежал более 1 года. Это определение подразумевает (без точных указаний, однако) интенсивное летнее таяние до такой степени, что на фоне снега, пролежавшего в течение лета, свежий зимний снег, выпадающий следующей зимой, должен быть легко различим. В не-увлажненных областях, особенно в зонах сухого снега Гренландии и Антарктики, этот критерий не может быть использован, так как в этих районах снег может пролежать более 10 лет и тем не менее очень мало отличаться от свежего. В то же время использование для проведения различия понятия критической плотности дает возможность различать снег и фирн, или зернистый лед, основываясь исключительно на структуре материала. В данном случае не имеет значения, сколько времени пролежал снег, прежде чем его плотность стала равной критической или выше нее. Однако и здесь желательно иметь термин для снега,, который подвергался увлажнению и, кроме того, пролежал в течение летнего сезона. Такой материал хорошо отличается от нового снега в окрестностях фирновой линии независимо, достиг ли он критической плотности или нет. Имея в виду все сказанное выше, можно предложить следующие определения:

Снег. Свежевыпавший снег состоит из гексагональных кристаллов, габитус которых зависит от условий формирования. Под действием процессов диагенеза, интенсивность которых зависит от температуры, очертания кристаллов становятся округлыми; в этом принимают участие такие процессы, как испарение и конденсация, диффузия и пластическое течение. В течение нескольких дней снег представляет собой рыхлую массу, состоящую из округлых зерен льда. Физические свойства такого снега быстро изменяются со временем или при увеличении нагрузки. Большинство процессов, вызывающих перемещение материала внутри толщи снега, благоприятствует округлению зерен и росту крупных кристаллов за счет поглощения ими мелких. Уплотнение происходит главным образом благодаря тому, что кристал-1ы, округляясь и приобретая более плавные очертания, перемещаются, укладываясь все более плотно внутри снежной толщи. Минимальная пористость (максимальная плотность), которой может достигнуть сухой снег, при таком уплотнении равна 36- 40%, что совпадает с величинами, полученными для шариков или песка. Величина минимальной пористости сухого снега имеет среднее значение из двух величин пористости массы, состоящей из шариков: при рыхлой укладке пористость такой массы равна 47,6%, а при плотной -26,0%. Когда в снег попадает вода, она не только заполняет свободные пространства (поры), но и способствует уплотнению зерен льда. Снег, плотность которого близка к критической, был получен при искусственном уплотнении. По существу снег представляет собой рыхлую осадочную породу.

Фирн. Фирн представляет собой снег, смоченный талой водой, но не растаявший, пролежавший как минимум один сезон летнего снеготаяния и по внешнему виду отличающийся от лежащего на нем свежего снега. Под термином «фирн» подразумевается «снег, выпавший в прошлом году», и его уплотнение здесь не рассматривалось.

Зернистый лед. По мере того как происходит округление формы кристаллов, они перемещаются внутри снежной толщи, и снег все более уплотняется; когда плотность становится близкой к критической, скорость уплотнения уменьшается, что обнаруживается при рассмотрении модуля уплотнения т. При плотности больше критической дальнейшее уплотнение происходит благодаря пластическому течению льда и молекулярной диффузии. Все это процессы, зависящие от времени. Такой снег уже можно назвать зернистым льдом, а прилагательное «мокрый» или «сухой» используется в зависимости от того, был ли материал смочен когда-либо со времени образования слоя. Зернистый лед уплотняется за счет срастания зерен под действием давления. Во время этого процесса связи между порами ликвидируются, поры превращаются в отдельные пузырьки воздуха круглой формы, а воздухопроницаемость льда постепенно уменьшается. В конечном итоге процесс приводит к уменьшению площади поверхности и, следовательно, уменьшению свободной энергии. Термин «зернистый лед» своим происхождением обязан не времени, которое необходимо для образования льда из снега, а исключительно способу, при помощи которого происходит уплотнение в этой стадии эволюции снежной толщи. Термин «зернистый лед» может употребляться для характеристики снега и льда в пределах от снега, плотность которого равна критической, и до плотного льда, воздухопроницаемость которого близка к нулю. Зернистый лед в сущности представляет собой «затвердевший снег, или фирн».

Ледниковый лед. Когда все поры изолированы воздухопроницаемость становится равной нулю и зернистый лед превращается в ледниковый. Уплотнение продолжается главным образом за счет пластического течения и молекулярной диффузии.

Давать новые определения терминам, которые уже давно используются,- задача сложная и ответственная, однако термины «фирн» и «зернистый лед» прежде не имели сколько-нибудь четкого определения. Здесь предпринята попытка ограничиться использованием изменения одного из свойств со временем, хотя характерной особенностью формулировки является то, что в течение этого же периода времени некоторая часть снега должна растаять. Определение другого термина основано исключительно на его структуре. Таким образом, мы имеем теперь четыре термина применительно к «веществу ледника»: «снег», «фирн», «зернистый лед» и «ледниковый лед». Использование терминов «снег» и «ледниковый лед» сомнений не вызывает. Определение «фирна» теперь более специфично, чем это было ранее. Однако определение «зернистого льда» сделано заново, и в отношении его теперь можно говорить «затвердевший снег, или фирн».

Понятие критической плотности и связанные с ним резкие изменения скорости уплотнения не обязательно использовать одинаково для снега и для льда. Следует ожидать, что уплотнение некоторых видав осадков вначале будет происходить за счет «подгонки» частиц друг к другу, и лишь после того, как частицы окончательно лягут на свои места, главную роль в уплотнении начинают играть другие процессы. Особенно хорошо это видно на примере отложений, скапливающихся в глубоких океанских впадинах, где на их уплотнение не влияют ни грунтовые воды, ни процессы, происходящие в поверхностных слоях океана. Важно отметить, что максимальная пористость сланцев в основном колеблется в пределах 36-40%, и минимум пористости для глины около 36%. Более того, максимум пористости для песчаника лежит в пределах 36-51 %, наиболее часто встречающееся значение предела пористости — 37,7%; минимальная пористость песка—30,2%. Таким образом, это показывает, что критическая пористость является как бы линией раздела между глиной и сланцем, между песком и песчаником. В заключение можно сказать, что критическая пористость представляется подходящим параметром, чтобы по нему отличать любые связанные отложения от несвязанных так же свободно, как снег от зернистого льда.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.