Subglacial bäck
Subglaciala strömmar är ledningar av glacialt smältvatten som flödar vid basen av glaciärer och inlandsisar . Smältvatten från glaciärens yta vandrar nedåt genom hela glaciären och bildar ett englacialt dräneringssystem som består av ett nätverk av passager som så småningom når berggrunden nedanför , där de bildar subglaciala bäckar. Subglaciala strömmar bildar ett system av tunnlar och sammanlänkade håligheter och ledningar, med vatten som strömmar under extrema tryck från isen ovanför; som ett resultat bestäms flödesriktningen av tryckgradienten från isen och bäddens topografi snarare än gravitationen. Subglaciala strömmar bildar ett dynamiskt system som är känsligt för förändrade förhållanden, och systemet kan förändras avsevärt som svar på säsongsvariationer i smältvatten och temperatur. Vatten från subglaciala strömmar leds mot glaciäränden, där det lämnar glaciären. Utsläpp från subglaciala bäckar kan ha en betydande inverkan på lokala, och i vissa fall globala, miljömässiga och geologiska förhållanden. Sediment, näringsämnen och organiskt material som finns i smältvattnet kan alla påverka nedströms och marina förhållanden. Klimatförändringar kan ha en betydande inverkan på subglaciala bäcksystem, öka volymen av smältvatten som kommer in i subglaciala dräneringssystem och påverka deras hydrologi .
Bildning
Subglaciala bäckar hämtar sitt vatten från två källor: smältvatten som transporteras från toppen av glaciären och smältvatten från glaciärbädden. När temperaturen är tillräckligt hög för att framkalla smältning på glaciärens yta, vanligtvis under sommaren, rinner vatten ner i glaciären. Ytsmältvatten rinner nedåt genom millimeterstora kanaler som går samman i ett nätverk av bifloder, växer i storlek tills det når berggrunden. Dessutom transporteras en del vatten till ytan av moulins (stora, vertikala schakt upp till tio meter breda som sträcker sig från ytan till en lägre höjd, ibland hela vägen till glaciärbädden). Sprickor, sprickor och håligheter mellan glaciärer och dalväggar kan också ge vägar för vatten att nå bädden. Medan ytsmältvatten kan vara säsongsberoende, hålls bäddarna av tempererade glaciärer vid trycksmältpunkten ( kombinationen av temperatur och tryck vid vilken is smälter). Detta flytande vatten vid bädden - närvarande i tempererade men inte polära glaciärer - ger en konstant tillförsel av vatten till subglaciala strömsystem. Vatten från dessa två källor möts och koncentreras vid berggrunden av glaciären, där trycket från isen ovanför tvingar den att röra sig mot glaciäränden, vilket skapar ett nätverk av passager när det arbetar sig ut ur glaciären.
Hydrologi
Strömmarnas riktning
Vatten i subglaciala strömmar utsätts för stora mängder tryck från ismassan ovanför; som ett resultat kan riktningen för vattenflödet inte förklaras på samma sätt som typiska ytströmmar. Subglacialt vattenflöde bestäms till stor del av tryckgradienter som skapas av glaciärens vikt och rörelse. Som ett resultat, istället för att följa bäddens sluttning, kan bäckar flyta upp och över sluttningar. Detta beteende kan beskrivas genom att se trycket inuti glaciärer som ekvipotentiella ytor; när vattnet skjuts från områden med högt tryck till områden med lågt tryck, färdas det i en riktning vinkelrätt mot dessa ytor.
Strömsystem
Subglaciala strömsystem kan placeras i två kategorier baserat på arrangemanget och typen av passager som utgör systemet: kanaliserade och distribuerade.
Kanaliserad
Kanaliserade dräneringssystem kännetecknas av att vatten huvudsakligen strömmar genom tunnlar längs glaciärens bädd som tar smältvatten snabbt och direkt till glaciärterminalen. Dessa tunnlar är ordnade i ett nätverk av bifloder, som går samman och växer i storlek när de närmar sig ändstationen. Vatten rör sig snabbt i dessa system, och trycket inuti kanalerna är relativt lågt jämfört med trycket i isen runt dem. Turbulens i det snabba flödet producerar värme, som kan smälta tunnlarnas isväggar. Medan det totala vattnet som tillförs systemet genom denna process är obetydligt jämfört med vatten från ytan och från basal smältning, gör smältningen av kanalväggarna att kanalen förblir öppen även när istrycket som omger den är mycket större än trycket på vattnet inuti. Den ständiga erosionen av tunnelväggarna kan kompensera den avsmalning av tunneln som orsakas av deformation av isen. Beroende på vattentillförseln och bäddens egenskaper kan tunnlarna ta olika former, inklusive halvcirkelformade tunnlar som skär in i isen, breda och låga tunnlar och tunnlar som skär in i bädden snarare än isen. Breda och låga tunnlar bildas i kanaler med varierande mängder smältvatten, eftersom smältningen koncentreras till tunnelväggarna snarare än taket när tunneln inte är helt vattenfylld. Kanaler som upprätthåller långsiktig stabilitet i vattenflöde och läge kan erodera berggrunden med tiden, vilket resulterar i tunnlar som skär in i bädden snarare än isen ovanför.
Distribuerad
Distribuerade dräneringssystem kan bestå av ett nätverk av sammanlänkade kaviteter, poröst flöde och kanaler i sedimentet samt en tunn hinna mellan isen och bädden. Filmer av vatten mellan isen och berggrunden är sällan tjockare än tiotals mikrometer och bildas i områden som är isolerade från kanaler och håligheter, hålls vid trycksmältpunkten och ligger över ogenomtränglig bädd. Flödet i filmer står inte för en stor del av det totala smältvattenflödet ut ur glaciären, men kan ha betydelse för glaciärernas glidrörelse . I de fall då glaciärer ligger ovanför poröst, okonsoliderat sediment kan en del vatten strömma genom sedimentet; precis som filmflöde står inte poröst flöde för mycket av vattenflödet i systemet. När bädden är deformerbar kan breda, grunda kanaler upp till 10 cm breda bildas i sedimentets yta, toppad av glaciärisen. I glaciärer med branta sluttningar är kanalsystemen instabila, eftersom de lätt kan absorberas av kanaler ovanför sedimentet. När glaciärer rör sig över gupp i berggrunden kan skillnader i tryck skilja isen från bädden bakom guppen om glaciären rör sig tillräckligt snabbt. Detta skapar hålrum mellan glaciären och bädden som fylls med vatten. Om vattentrycket är tillräckligt högt expanderar hålrummet, och vattnet kan orsaka mer separation mellan isen och bädden som omger håligheten. Med ihållande vattentillförsel bildas små passager mellan kaviteter, vilket skapar ett stort nätverk av sammanlänkade kaviteter som vatten rinner mellan. Vatten i sammanlänkade kavitetssystem strömmar i genomsnitt i en riktning som är normal mot glaciärens ekvipotentiella tryckytor. Vägen som tas är dock lång och indirekt, och ibland kan vatten flöda nästan parallellt med ekvipotentialytorna.
Säsongsvariation
Strukturen hos subglaciala bäcksystem förändras avsevärt över tiden som ett resultat av säsongsmässiga förändringar i volymen och källan till smältvattenintaget. Under vintern domineras subglaciala bäcksystem av distribuerade bäckar. Eftersom det är väldigt lite ytsmältning under denna säsong, kommer nästan allt smältvatten från basal smältning och utsläpp av lagrat smältvatten. Båda dessa källor involverar små mängder vatten som släpps ut relativt likformigt genom hela glaciärens bädd, vilket gör det osannolikt att de bildar stora dräneringskanaler. Vissa större tunnlar finns kvar i systemet året runt och är de huvudsakliga utsläppspunkterna under vintern, men systemet i stort kännetecknas av distribuerad dränering. När temperaturerna stiger och ytsmältningen ökar vattenflödet till bädden på sen vår, störs vinterströmsystemet. Distribuerade flödeskanaler, som saknar kapacitet för ökade mängder smältvatten, upplever en ökning av vattentrycket och destabiliseras. Höga vattentryck leder till bildandet av större tunnlar - en process som kallas kanalisering - som har en större kapacitet för smältvatten och tillåter tryck att falla. Denna förändring kan ske gradvis eller kan utlösas av händelser som snabbt ökar smältvattenflödet, såsom på varandra följande dagar med hög smältning eller en stor regnstorm. Det nu kanaliserade systemet växer i omfattning under sommaren när smältvattentillförseln fortsätter att öka, med nya passager som bildas och växer i storlek. På hösten minskar ytsmältningen och mängden smältvatten räcker inte längre för att upprätthålla de nybildade kanalerna; deformation av den omgivande isen stänger långsamt kanaler som inte genererar tillräckligt med friktionssmältning längs sina väggar för att kompensera för stängningen. Så småningom blir ett distribuerat strömsystem igen dominerande. Vissa fleråriga kanaler finns kvar under hela vintersäsongen, men kanalerna som bildas på våren försvinner – när nya tunnlar bildas igen nästa år bildas de inte på samma platser som de som stängdes.
Inverkan på glaciala system
Ubåtsglaciärsmältning
Utsläppet av subglaciala strömsystem av marina slutande glaciärer i havet har en betydande inverkan på volymen och fördelningen av glacial smälta vid ändstationen. Utsläppet av glaciärströmmar i havet dyker upp som plymer som färdas upp till havsytan längs glaciärens yta, vilket kan fungera som värmekällor för glaciärsmältning. Issmältning på grund av utsläppsplymer har en betydande inverkan i områden där utsläppshastigheterna överstiger 100 m 3 /s −1 ; med lägre utsläppshastigheter är plymassocierad värme obetydlig jämfört med effekterna av havsblandning. Säsongsvariationer spelar en viktig roll i hur subglaciala strömmar påverkar glacial smältning. Under sommaren är den subglaciala bäckproduktionen mycket större, vilket resulterar i plymer som är större, snabbare och mer flytande än under vintern. Förutom att den större utsläppsvolymen ökar glaciärsmältan, resulterar den ökade flytkraften hos plymen i mer turbulens och följaktligen mer värmeöverföring till glaciären, vilket ytterligare ökar smältan. Den effekt subglaciala strömmen har på glacial smältning påverkas också av typen av subglacialt dräneringssystem; fördelade subglaciala strömmar resulterar i en utmatning av smältvatten jämnt över jordningslinjen (där glaciären övergår från grundad till flytande is), medan kanaliserad dränering resulterar i individuella, stora utlopp. Distribuerade utsläpp resulterar i glaciala smältvolymer som är upp till fem gånger större än den för kanaliserad dränering, eftersom enskilda starka plymer av smältvatten inte är lika kapabla att framkalla utbredd smältning som ett mycket större antal mindre utsläpp.
Glacial rörelse
I tempererade glaciärer, som kännetecknas av närvaron av flytande vatten vid sin bas och kan glida, har subglaciala strömmar en betydande inverkan på glaciala rörelser. Vattentrycket och friktionen som upplevs vid basen av en glaciär beror delvis på om det subglaciala hydrologiska systemet är kanaliserat eller distribuerat. Kanaliserade system är en effektiv form av dränering eftersom de snabbt kan flytta vatten ut ur glaciären, vilket minskar vattentrycket i systemet. Genom att minska vattentrycket under glaciären ökar friktionen mellan glaciärisen och berggrunden nedan, vilket bromsar glaciärens rörelse. Distribuerade flödessystem, som kontrast, kännetecknas av långsamt rörligt vatten i små håligheter och passager; när vattenflödet in i systemet ökar, såsom under perioder med hög smältpunkt, kan systemet inte kompensera, vilket resulterar i stora ökningar av basalvattentrycket. Som ett resultat minskar friktionen mellan glaciären och bädden och glaciärens glidhastighet ökar. Glacial rörelse kan också orsaka förändringar i subglaciala strömsystem, och det finns återkopplingar mellan de två. När det subglaciala vattentrycket ökar, ökar hastigheten för glacial glidning. Glaciären stöter på gupp i berggrunden när den glider: som ett resultat skapas hålrum mellan isen och bädden. Glaciären stöter på fler gupp på grund av sin högre hastighet och eftersom is som rör sig i högre hastighet har mindre förmåga att upprätthålla förbindelse med berggrunden, är det mer sannolikt att glaciärer som rör sig snabbare bildar håligheter när de passerar över gupp. Detta ökar det subglaciala utrymmet som kan fyllas med vatten, vilket minskar basala vattentrycket. Samspelet mellan glacial rörelse och subglacial hydrologi skapar en negativ återkopplingsslinga, där ökat vattentryck under glaciären ökar glacial glidhastighet, vilket i sin tur minskar trycket och följaktligen glidhastigheten. Genom denna mekanism kan effekterna av speedup-händelser förfalla med tiden. En annan kontroll på glaciärens glidningshastighet är kanaliseringsprocessen. Ihållande höga nivåer av smältvattentillförsel resulterar i en övergång från ett distribuerat nätverk av subglaciala strömmar till ett mer kanaliserat system när större passager genom isen utvecklas. Eftersom större kanaler mer effektivt kan avlägsna vatten från det subglaciala systemet, minskar vattentrycket, vilket ökar friktionen mellan glaciären och berggrunden och minskar glidhastigheten. Kanalisering är den viktigaste processen för att avsluta speedup-händelser och är ansvarig för nedgången i glaciärhastigheten i slutet av sommaren efter den snabbhet som vanligtvis observeras när smältvattenflödet ökar på våren.
Materialtransport
Näringsämnen och organiskt material
Subglaciala strömmar bär en betydande mängd organiskt material och näringsämnen, som härrör både från supraglaciala smältvatten och subglaciala processer. Smältvatten från supraglaciala miljöer som innehåller mikrobiellt producerat löst organiskt kol , eller DOC, strömmar in i glaciärer och når så småningom subglaciala strömsystem, som bär det organiska materialet ut ur glaciären. Denna källa till DOC kompletteras med organiskt material som produceras inom subglaciala ekosystem, där det finns olika mikrobiella samhällen. Även om koncentrationen av löst organiskt material i glacialt smältvatten är låg, gör den stora mängden sötvattenutsläpp från glaciärer glacialt framställd DOC till en viktig källa av biotillgängligt kol till marina ekosystem. i Alaskabukten ger glacial avrinning 0,13 Tg organiskt kol per år, varav mycket går genom subglaciala strömmar. Subglaciala strömmar transporterar också olika andra viktiga näringsämnen. Geologiska processer, inklusive malning av glaciärer på berggrunden nedanför och vatten-berginteraktion, säkerställer att mineraler kontinuerligt matas in i det subglaciala systemet. Järn som transporteras av subglaciala strömmar, till exempel, kommer mestadels från subglacial vittring, och kan vara ansvarigt för ett Fe-flöde som är tillräckligt stort för att avsevärt påverka den globala oceankemin över geologiska tidsskalor. Biologiska processer ger också näringsämnen till subglaciala strömmar, med nitrifikation och denitrifikation av mikrober som påverkar nedströms samhällen under perioder av smältning.
Sediment
Subglaciala strömmar kan transportera, deponera och ta bort sediment från glaciärbädden; denna process påverkas av vattentillförseln och mängden och egenskaperna hos det tillgängliga sedimentet. Storleken på sedimentpartiklar, lutningen på den subglaciala bäckens kanal och bäddens grovhet bidrar alla till om sediment mobiliseras eller avsätts. Subglaciala översvämningshändelser kan resultera i betydande erosion och sedimenttransport , och studier som modellerar subglaciala kanaler tyder på att säsongsbetonat smältvattenflöde enbart kan erodera berggrunden och transportera sediment så stora som stenblock. Som kontrast, när vattentrycket är lågt, som i slutet av en smältsäsong, avsätts sediment. När sedimenttillförseln är tillräckligt hög kan sedimentavlagringen bilda en esker : en långsträckt ås av sediment som fyller kanalen i den subglaciala bäcken där den bildas. Dessa eskers kan vara tillfälliga och varar bara tills ökande vattentryck under nästa smältsäsong spolar ut sedimentet, eller så kan de vara permanenta. Den permanenta bildningen av öser är vanligare vid retirerande glaciärer och inlandsisar, eftersom deras ändar förtunnas, vilket gynnar avsättningen av sediment. Framskridande glaciärer och inlandsisar uppvisar brantande ändpunkter, vilket ökar skjuvspänningarna och följaktligen vattentrycket, vilket gynnar utspolningen av avsatt sediment ur strömkanalerna.
Klimatförändring
Antropogena klimatförändringar kommer sannolikt att orsaka betydande förändringar i subglaciala strömsystem. När glaciärsmältningen ökar till följd av stigande globala temperaturer ökar också vattenflödet till och utsläpp från subglaciala strömmar. Större vattentillförsel från ytsmältning kan påverka hydrologin i subglaciala system, vilket ändrar tidpunkten för säsongsvariationer. Som ett resultat av ökningar av smältvatten orsakade av klimatförändringar kommer sannolikt större volymer vatten att nå bädden tidigare på året. Detta skulle göra att övergången från vinterdistribuerad subglacial dränering till sommarkanaliserade bäckar skulle ske tidigare på året. Glaciärrörelser kan också påverkas: eftersom glaciärer som domineras av kanaliserade system har lägre glidhastigheter, kan den tidigare övergången till detta system resultera i långsammare rörliga glaciärer. Kortsiktiga fluktuationer i smältvattenvolym och tryck, som kan bli mer intensiva när avrinningen ökar, kan dock kompensera denna minskning av glidningen genom att orsaka lokala hastigheter. Ökningar i volymen av utsläpp från subglaciala strömmar kommer sannolikt att öka avsmältningen av marina slutande glaciärer, eftersom undervattenssmältningshastigheter är mycket känsliga för mängden subglaciala utsläpp.