Изменения структуры и динамики ледника Фритьоф на Шпицбергене за последние 70 лет по данным дистанционных исследований

УДК 551.32 И.И. Лаврентьев

ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ ЛЕДНИКА ФРИТЬОФ НА ШПИЦБЕРГЕНЕ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 70 ЛЕТ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИИ1

Введение. Архипелаг Шпицберген — область интенсивного развития современного оледенения. Особенности его рельефа и климата обусловили существование здесь ледников различных морфологических типов, среди которых наиболее распространены горные, сетчатые (или горно-покровные) и покровные комплексы. Здесь встречаются ледники с разным типом питания и льдообразования, с холодным, теплым и переходным (политермическим) температурным режимом, а также широко распространены пульсирующие ледники. С середины 1960-х гг. сотрудники Института географии РАН проводят комплексные исследования ледников Шпицбергена, включающие аэро- и наземные радиолокационные измерения и бурение, что позволяет изучать толщину ледников, их внутреннее строение и гидротермическое состояние [4].

Ледник Фритьоф — один из объектов таких исследований. Он расположен в центральной части архипелага на Земле Норденшельда и является частью большой ледниковой системы переметного типа Восточный Гренфиорд—Фритьоф, ориентированной почти меридионально (рис. 1, А). Верхней ее границей служит ле-дораздел на высоте примерно 450 м над уровнем моря, а фронт ледника Фритьоф оканчивается в море и продуцирует айсберги.

Ледник Фритьоф — единственный ледник на арх. Шпицберген, где дважды, с перерывом более чем 100 лет, были зафиксированы резкие подвижки (сёрджи). Первая подвижка наблюдалась в 1860-х гг. [5]. Тогда язык ледника достиг северной оконечности о-ва Аксель в Ван-Майен-фиорде (рис. 1, А). Вторая подвижка была выявлена по спутниковым радиоинтерференционным изображениям [19]. Она началась в начале 1990-х гг. и продолжалась около 6 лет — с 1991 по 1997 г. Такая большая продолжительность подвижки типична для многих ледников Шпицбергена [14]. В течение этого времени в верховьях ледника накапливалась масса льда и постепенно увеличивалась скорость его движения, которая достигла максимума (4 м/сут) к середине 1996 г., а длина ледника увеличилась на 2,8 км.

Материалы и методы исследования. До начала второй подвижки, в 1974—1988 гг., экспедициями бывшего СССР, Великобритании и Норвегии на леднике Фритьоф были выполнены наземные и аэрорадиолокационные исследования на частотах 60, 440 и 620 МГц [9—11, 13]. На полученных радарных записях кроме отражений от ложа почти на всем протяжении ледника были обнаружены внутренние радиолокационные отражения (ВРО). Сравнение этих данных с результатами термозондирования

двух скважин, пробуренных экспедицией Института географии АН СССР в 1975 и 1979 гг., и с данными измерений скорости распространения радиоволн, выполненными в 1977, 1979 и 1988 гг. (рис. 1, Б), показало, что эти отражения связаны с границей раздела верхнего слоя холодного льда и нижнего слоя теплого водосодер-жащего льда и могут служить индикатором особого класса двухслойных (политермических) ледников. По данным аэрорадиозондирования [9—11, 13], такие отражения были отмечены и на многих других ледниках Шпицбергена, испытывавших резкие подвижки в прошлом [4, 19]. Измерения скорости распространения радиоволн показали, что содержание воды в верхней части слоя тёплого льда ледника может достигать 4,5%, тогда как во всей толще теплого льда среднее содержание воды изменяется от 0,1 до 2,4% и достигает максимума в теплый период [8].

В 1988 г. были выполнены наземные радиолокационные съемки на всей доступной площади ледника с одновременной геодезической привязкой точек измерений [3, 9—11]. Для радиолокационных измерений использовался локатор РЛС-620 с непрерывной регистрацией данных и моноимпульсный локатор МПИ-8 с точечной регистрацией (рис. 1, Б). Кроме того, высота поверхности ледника была измерена в 1996 и 2002 гг. путем ли-дарных (с помощью лазерного дальномера) измерений с самолета вдоль нескольких профилей, охватывающих боковую и нижнюю части ледника [12].

В результате наземных радиолокационных работ, а также GPS-измерений на леднике Фритьоф в 2005 г. были получены новые данные о его геометрии и структуре [1]. Работы велись по поперечным профилям на леднике в районе ледораздела и в 2 км от фронта ледника, а также вдоль его продольного профиля длиной 12 км (рис. 1, Б). Кроме того, в 2007 г. автором были построены цифровые модели рельефа (ЦМР) поверхности ледника Фритьоф на 1936 и 1990 гг., основанные на топографических картах указанных периодов. Использование ЦМР и данных радиолокационных съемок разных лет [2, 3, 9, 10, 15] позволило построить цифровые карты высоты поверхности ледника на 1936 и 1990 гг., карту толщины льда на 1988 г. и выявить области наибольших изменений (рис. 2, в, д).

Цель работы — оценка изменения параметров ледника Фритьоф, произошедшего за время до и после его второй подвижки. Для этого использованы указанные выше данные за 1977—2002 гг. и новые данные радиозондирования и радиофизических исследований, полученные в составе экспедиции Института географии РАН в 2005 г. с участием автора.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке ведущей научной школы "Криолитология и гляциология" (НШ-4861.2006.5).

Рис. 1. Ледник Фритьоф: исследования и результаты: А — общий вид ледников района исследований; Б — положение профилей радиозондирования в 1977 г. (Б1, Б2), в 1988 г. с локатором РЛС-620 (1), МПИ-8 (2) и в 2005 г. с локатором ВИРЛ-6 (6); точки измерения высот поверхности путем лидарных измерений в 1996 и 2002 гг. (3); профиль измерений высоты поверхности со спутника ICESAT (4); измерения скорости распространения радиоволн (5): сравнение данных радиозондирования и бурения в 1977 г. (точка 1а), радиолокационный каротаж скважины в 1979 г. (точка 2а), наклонное радиозондирование в 1988 г. (точка 2а), наклонное радиозондирование в 2005 г. (точки 1б и 2б); В — изменение площади ледника Фритьоф: 1 — 1990 г., 2 — 2004 г., 3 — 1936 г.; Г — карта изменения высоты поверхности ледника Фритьоф за период 1936—1990 гг., основанная на разностной ЦМР: 1 — деградировавшая к 1990 г. часть ледника, 2 — изолинии изменения высоты

Рис. 2. Изменение толщины и строения ледника Фритьоф: а, б — примеры радарных записей, полученных в 2005 г. цифровым локатором ВИРЛ-6 на продольном профиле А1—А2 и на поперечном профиле Б1—Б2 в районе ледораздела: горизонтальная шкала — номера трасс, вертикальная шкала — время запаздывания отраженных сигналов, мкс; Т — зондирующий импульс, В — отражения от ложа, С — отражения от приповерхностных трещин и водотоков; в — продольный профиль А1—А2 ледника Фритьоф по данным наземного радиозондирования: 1, 2 — толщина льда 1988 г. по данным измерений локаторами РЛС-620 (1) и МПИ-8 (2); 3 — положение внутренней отражающей границы в 1988 г. по данным измерений локатором РЛС-620; 4 — толщина льда в 2005 г. по данным измерений локатором ВИРЛ-6; г — поперечный профиль Б1—Б2 в районе ледораздела по данным наземного радиозондирования: 1 — толщина льда в 1977 г. по данным измерений локатором РЛС-620; 2 — толщина льда в 2005 г. по данным измерений локатором ВИРЛ-6; 3 — положение внутренней отражающей границы в 1977 г. по данным измерений локатором РЛС-620; 4 — положение скважины 1977 г.; д — высота ложа (1) и поверхности ледника Фритьоф на продольном профиле А1—А2: 2 — в 1936 г., 3 — в 1988 г., 4 — в 1990 г., 5 — в 2005 г. Положение профилей показано на рис. 1, Б

Результаты исследований. За период с 1936 по 1990 г. ледник Фритьоф отступил примерно на 2000 м, а его поверхность понизилась на 100—120 м у фронта, на 50 м в 2 км от него и в среднем на 20 м в центральной части ледника (рис. 2, д). В западной ветви ледника происходила обратная картина — здесь поверхность повысилась в среднем на 60—100 м по сравнению с 1936 г. (рис. 1, Г). Сведения о повышении поверхности ледника в верхней части приведены также в работе [3] и описывают характер изменений с 1936 по 1988 г., т.е. до начала второй подвижки. Как отмечают авторы [3], к 1988 г. поверхность льда в верховьях ледника Фритьоф повысилась на 25—30 м, а в центральной и нижней частях понизилась на 25—100 м. Эти данные основаны на геодезических работах 1988 г. и хорошо согласуются с новыми данными, основанными на ЦМР.

К 2005 г. на леднике Фритьоф произошли изменения противоположного знака. На ледоразделе толщина льда уменьшилась примерно на 50 м (рис. 2, г), а в 3 км от него — на 110 м. На рис. 2, в видно, что наибольшие изменения произошли в верхней части ледника на расстоянии до 5 км от ледораздела. Максимальные изменения толщины льда здесь составляют более 150 м. В концевой части ледника толщина, наоборот, увеличилась примерно на 50 м. Анализ этих изменений показывает типичную для ледниковой подвижки картину перемещения массы льда вниз по леднику. На это также указывают данные измерений высоты поверхности ледника за период 1996—2002 гг. [12]. Поверхность ледника в верховьях понижалась, скорость снижения достигала 0,6 м/год, а во фронтальной части поверхность, наоборот, повышалась со скоростью до 0,3 м/год, что характерно для фронтовых частей пульсирующих ледников.

Сравнение данных о высоте поверхности, толщине и внутреннем строении ледника, полученных до и после второй подвижки ледника Фритьоф, свидетельствует, что после нее существенно изменилась не только толщина, но и внутреннее строение ледника. В частности, в 2005 г. в толще ледника (рис. 2, а, б) не отмечены внутренние радиолокационные отражения от границы между холодным и теплым слоями ледника, которые были зафиксированы на радарных записях 1977 и 1988 гг. на частоте 620 МГц (рис. 2, в, г), а толщина льда существенно уменьшилась. Это может свидетельствовать о том, что термический режим ледника изменился, т.е. он превратился из политермического в теплый или холодный, но механизм такого преобразования пока неясен и требует дополнительных исследований. Основанием для такого заключения служит характер радарных записей, полученных в 2003—2004 гг. на политермическом леднике Ханс, на которых четко фиксируется граница раздела холодного и теплого льда [18]. Для этих работ использовался такой же радиолокатор ВИРЛ-6 с центральной частотой 20 МГц, что и на леднике Фритьоф в 2005 г. Об изменениях в строении ледника также свидетельствуют предварительные данные измерения скорости распространения радиоволн во льду в 2005 г. и оценки содержания воды в толще ледника, опубликованные в работе [1].

Изменения длины, площади и объема ледника Фритьоф за период с 1936 по 2005 г., а также зафиксированные изменения толщины с 1977 по 2005 г. прямо указывают на то, что ледник продолжает отступать (таблица). Так, его площадь на 1936 г. оценивается в 55,3 км2, а средняя толщина льда, рассчитанная на основе ЦМР и данных радиозондирования, равна 215 м. К 1980 г. по оценкам, указанным в работе [16], площадь ледника составляла 48,7 км2 при длине 13 км, а объем оценивался в 11 км3. В 1985 г. А.Б. Журавлев [6] рассчитал объем ледника Фритьоф, используя расчетные методы на основе данных аэрорадиозондирования ледников Шпицбергена в 1977—1979 гг. Объем составил 10,62 км3 при площади ледника, равной 63 км2. Кроме того, на основе данных площадных наземных радиолокационных съемок на леднике Фритьоф в 1988 г. был подсчитан объем льда, который был равен 7,355 км3 при площади 63 км2 [8]. Отмечу, что указанные оценки (основанные на расчетных методах) сильно завышены, а оценка объема в 7,355 км3 была основана на радарных данных 1988 г., приведенных в работе [3], и построенной на их основе карте толщины льда.

В статье приводятся уточненные данные, основанные на новой интерпретации радиолокационных данных 1988 г., которая подразумевала повторную пикировку отраженных сигналов от ложа и внутренней границы между теплым и холодным льдом, а для высотной привязки использовались данные геодезической съемки ледника в 1988 г., таким образом удалось построить новую карту ложа и показать, что ложе ледника Фритьоф лежит выше уровня моря в средней и нижней частях, тогда как раньше его считали лежащим ниже уровня моря на значительной площади.

Изменения ледника Фритьоф с 1936 по 2005 г.

Годы Длина, км Площадь, км2 Средняя толщина на продольном профиле А1—А2, м Объем, км3 Источник

1936 12,8 55,5 215 [8], ЦМР

1980 13 48,7 11 [16]

1985 63 10,62 [6]

1988 11,2 52,1 198 5,7 А8ТЕЯ, ЦМР, РЛЗ*

1990 10 45,3 216 ЦМР

2004— 2005 13 49,3 183 А8ТЕЯ, РЛЗ

* — Радиолокационное зондирование.

Сравнение геодезических и геофизических работ 1988 г. с картой 1936 г. показывает, что за счет деградации фронтальной части ледника (1300—2000 м) и понижения высоты поверхности ледника его объем за этот период уменьшился на 1,6 км3 [9]. Объем ледника без учета притоков и краевой части ледника, где измерения не проводились, составил 5,7 км3 при площади 52,1 км2. Изменения средней толщины льда на продольном профиле А1—А2, показанные в таблице и на рис. 1, Б и 2, в,

служат наглядным свидетельством заметных разнонаправленных изменений, произошедших в эти периоды. Используя космическое изображение ASTER за 2004 г. на этот район оледенения Шпицбергена, а также оцифрованные топографические карты 1936 и 1990 гг., автор определил площадь ледника за указанные периоды и оценил ее изменения (таблица, рис. 1, В). Так, с 1936 по 1990 г. площадь ледника уменьшилась на 18%, а к 2004 г. она увеличилась примерно на 9% по сравнению с 1990 г. и составила 49,3 км2 при длине 13 км. Кроме того, на основе разностной ЦМР ледника Фритьоф была построена карта изменения высоты поверхности ледника за период 1936—1990 гг. (рис. 1, Г). На ее основе вычислен объем исчезнувшей прифронтальной части и потерь за счет уменьшения площади (1,19 км3), а также потерь льда за счет понижения поверхности (0,97 км3) за 54 года, что эквивалентно понижению высоты поверхности всего ледника в среднем на 36 см в год в слое льда с учетом отступания фронта ледника. Эти результаты хорошо согласуются с расчетами [20], где приведены схожие цифры сокращения оледенения на Шпицбергене по данным разностных ЦМР.

Заключение. Сравнение результатов дистанционных исследований ледника Фритьоф — космических изображений ASTER и данных радиопрофилирования, полученных до и после подвижки ледника Фритьоф в 1991—

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Василенко Е.В., Глазовский А.Ф., Лаврентьев И.И. и др. Изменения толщины и гидротермической структуры ледника Фритьоф с 1977 по 2005 г. // Материалы гляциологических исследований. 2006. Вып. 101. С. 157—162.

2. Глазовский А.Ф., Константинова Т.Н., Мачерет Ю.Я. и др. Толщина и подледный рельеф ледника Фритьоф по данным наземной радиолокационной съемки // Там же. 1991. Вып. 72. С. 161—166.

3. Глазовский А.Ф., Москалевский М.Ю. Исследования ледника Фритьоф на Шпицбергене в 1988 году // Там же. 1989. Вып. 65. С. 148—153.

4. Гляциология Шпицбергена / Под ред. В.М. Котлякова. М.: Наука, 1985.

5. Долгушин Л.Д., Осипова Г.Б. Пульсирующие ледники. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

6. Журавлев А.Б. Корреляционный метод оценки запасов льда в ледниках // Материалы гляциологических исследований. 1985. Вып. 52. С. 241—249.

7. Зингер Е.М., Захаров В.Г., Жидков В.А. Наблюдения за подвижкой ледника Фритьоф на Шпицбергене в 1997 году // Там же. 1997. Вып. 83. С. 231—233.

8. Мачерет Ю.Я. Радиозондирование ледников. М.: Научный мир, 2006.

9. Мачерет Ю.Я, Глазовский А.Ф., Игнатьева И.Ю. и др. Строение, гидротермическое состояние и режим субполярных ледников // Режим и эволюция полярных ледниковых покровов / Под ред. В.М. Котлякова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. С. 48—115.

10. Мачерет Ю.Я., Журавлев А.Б. Радиолокационное зондирование ледников Шпицбергена с вертолета // Материалы гляциологических исследований. 1980. Вып. 37. С. 109—131.

1997 гг., — с данными ЦМР на 1936 и 1990 гг. позволяет судить о существенных изменениях его толщины, внутреннего строения и гидротермической структуры, произошедших после этой подвижки. Данные об изменениях толщины ледника за период 1988—2005 гг. показывают типичную для ледниковой пульсации картину перемещения массы льда вниз по леднику. Площадь ледника за 1936—2004 гг. изменилась незначительно, однако в результате деградации ледника Фритьоф от него отделился небольшой ледник Сага (правый борт, прифронтовая часть), который еще в 1936 г. был притоком (рис. 1).

Можно говорить о том, что на леднике Фритьоф впервые зафиксированы изменения его внутреннего строения и толщины льда в период до и после второй подвижки. Эти изменения вызваны, вероятно, не только пульсацией ледника, благодаря которой произошли изменения геометрических параметров ледника за счет длительного (6 лет) сброса льда в море, а также сменился гидротермический режим ледника, но и общим сокращением ледника Фритьоф на фоне потепления климата в западной части Евразийской Арктики в последние десятилетия [4].

Автор выражает благодарность сотрудникам отдела гляциологии Института географии РАН Ю.Я. Мачерету и А.Ф. Глазовскому за помощь в проведении полевых работ, обработке и интерпретации материалов.

11. Мачерет Ю.Я, Журавлев А.Б. Толщина, объем и строение ледников // Гляциология Шпицбергена / Под ред. В.М. Котлякова. М.: Наука, 1985. С. 7—35.

12. Bamber J.L., Krabill W., Paper V. et al. Elevation changes measured on Svalbard glaciers and ice caps from airborne lidar data // Ann. of Glaciology. 2005. Vol. 42. P. 202—208.

13. Dowdeswell J.A., Drewry D.J., Liestol O., Orheim O. Airborne radio echo-sounding of sub-polar glaciers in Spitsbergen // Skrifter. N 182. Oslo: Norsk Polarinstitutt, 1984.

14. Dowdeswell J.A., Hamilton G.S., Hagen J.O. The duration of active phase on surge-type glaciers: contrast between Svalbard and other regions // J. Glaciology. 1991. Vol. 37. N 127. P. 388—400.

15. GlazovskyA.F., Macheret Yu.Ya., Moskalevsky M.Yu., Jania J. Tidewater glaciers in Spitsbergen / Glacier-Ocean-Atmosphere Interactions. Proc. of St. Petersburg Symp. September 1990 // IASH Publ. 1991. N 208. P. 229—239.

16. Hagen J.O., Liestrol O., RolandE., Jorgensen T. Glacier atlas of Svalbard and Jan Mayen // Meddelelser NR. 1993. Vol. 129.

17. Hamilton G.S., Dowdeswell J.A Controls on glacier surging in Svalbard // Ann. of Glaciology. 1996. Vol. 42, N 140. P. 157—168.

18. Jania J., Macheret Yu.Ya., Navarro F.J. et al. Temporal changes in the radiophysical properties of a polythermal glacier in Spitsbergen // Ibid. 2005. Vol. 42, N 1. P. 125—134.

19. Murray T., Luckman A, Strozzi T., Nutall A.-M. The initiation of glacier surging at Fridtjovbreen, Svalbard // Ibid. 2003. Vol. 36. P. 110—116.

20. Nuth C., Kohler J., Aas H.F. et al. Glacier geometry and elevation changes on Svalbard (1936—1990): a baseline dataset // Ibid. 2007. Vol. 46. P. 106—116.

Кафедра криолитологии и гляциологии

Поступила в редакцию 20.12.200б

I.I. Lavrentiev

CHANGES OF STRUCTURE AND DYNAMICS OF THE FRITJOF GLACIER

DURING THE LAST 70 YEARS

Data on the changes of structure and geometry of the Fritjof Glacier, a most profoundly studied one within the Svalbard Archipelago are presented, which result from the analysis of 1936 and 1990 digital relief models, 2004 ASTER space imagery and 1977—2005 radiolocation surveys on the glacier partly undertaken by the author, as well as from the available publications. The results of the study show that the pulsing Fritjof Glacier has undergone considerable changes of its geometric parameters and inner structure. At present it is in the stage of recession.