Postglacial återhämtning
Post-glacial återhämtning (även kallad isostatisk återhämtning eller jordskorpans återhämtning ) är ökningen av landmassor efter avlägsnandet av den enorma vikten av inlandsisar under den senaste istiden , som hade orsakat isostatisk depression . Post-glacial återhämtning och isostatisk depression är faser av glacial isostasi ( glacial isostatisk justering , glacioisostasy ), deformationen av jordskorpan som svar på förändringar i ismassafördelningen. De direkta höjande effekterna av post-glacial återhämtning är lätt uppenbara i delar av norra Eurasien , Nordamerika , Patagonien och Antarktis . Men genom processerna med havshävert och kontinental vandring märks effekterna av post-glacial återhämtning på havsnivån globalt långt från platserna för nuvarande och tidigare inlandsisar.
Översikt
Under den senaste istiden täcktes stora delar av norra Europa , Asien , Nordamerika , Grönland och Antarktis av inlandsisar , som nådde upp till tre kilometer tjocka under istidens maximum för cirka 20 000 år sedan. Den enorma vikten av denna is fick jordskorpans yta att deformeras och deformeras nedåt, vilket tvingade det viskoelastiska mantelmaterialet att flyta bort från det belastade området. I slutet av varje glaciationsperiod när glaciärerna drog sig tillbaka ledde borttagandet av denna vikt till långsam (och fortfarande pågående) höjning eller återhämtning av landet och återflödet av mantelmaterial tillbaka under det deglacierade området. På grund av mantelns extrema viskositet kommer det att ta många tusen år för landet att nå en jämviktsnivå .
Upphöjningen har skett i två distinkta etapper. Den initiala höjningen efter deglaciationen var nästan omedelbar på grund av den elastiska responsen från jordskorpan när islasten avlägsnades. Efter denna elastiska fas fortskred upplyftningen genom långsamt viskös flöde med en exponentiellt minskande hastighet. [ citat behövs ] Idag är typiska lyfthastigheter i storleksordningen 1 cm/år eller mindre. I norra Europa framgår detta tydligt av GPS -data som erhållits av BIFROST GPS-nätverket; till exempel i Finland växer landets totala yta med cirka sju kvadratkilometer per år. Studier tyder på att återhämtningen kommer att fortsätta i åtminstone ytterligare 10 000 år. Den totala höjningen från slutet av deglaciationen beror på den lokala isbelastningen och kan vara flera hundra meter nära rekylens centrum.
Nyligen har termen "postglacial återhämtning" gradvis ersatts av termen "glacial isostatisk justering". Detta är ett erkännande av att jordens svar på glacial lastning och lossning inte är begränsat till den uppåtriktade rörelsen utan också involverar landrörelse nedåt, horisontell jordskorpans rörelse, förändringar i globala havsnivåer och jordens gravitationsfält, inducerade jordbävningar och förändringar i jordens rotation. En annan alternativ term är "glacial isostasi", eftersom höjningen nära centrum av rekylen beror på tendensen till återställande av isostatisk jämvikt (som i fallet med isostasi av berg). Tyvärr ger den termen ett felaktigt intryck av att isostatisk jämvikt på något sätt uppnås, så genom att lägga till "justering" i slutet framhävs återställningsrörelsen.
Effekter
Post-glacial återhämtning ger mätbara effekter på vertikal jordskorpans rörelse, globala havsnivåer, horisontell jordskorpans rörelse, gravitationsfältet, jordens rotation, jordskorpans stress och jordbävningar. Studier av glacial rebound ger oss information om flödeslagen för mantelbergarter, vilket är viktigt för studiet av mantelkonvektion, plattektonik och jordens termiska utveckling. Det ger också inblick i tidigare inlandsisar, vilket är viktigt för glaciologi , paleoklimat och förändringar i den globala havsnivån. Att förstå postglacial återhämtning är också viktigt för vår förmåga att övervaka den senaste globala förändringen.
Vertikal jordskorpans rörelse
Oregelbundna stenblock , U-formade dalar , drumlins , eskers , vattenkokare , berggrundsstrimmor är bland de vanliga signaturerna för istiden . Dessutom har post-glacial återhämtning orsakat många betydande förändringar av kustlinjer och landskap under de senaste tusen åren, och effekterna fortsätter att vara betydande.
I Sverige var Mälaren tidigare en arm till Östersjön , men landhöjningen skar den så småningom av och ledde till att den blev en sötvattenssjö omkring 1100-talet, vid den tid då Stockholm grundades vid dess utlopp . Marina snäckskal som hittats i Lake Ontario sediment antyder en liknande händelse i förhistorisk tid. Andra uttalade effekter kan ses på ön Öland , Sverige, som har liten topografisk relief på grund av närvaron av den mycket jämna Stora Alvaret . Det stigande landet har fått bosättningsområdet från järnåldern att dra sig tillbaka från Östersjön , vilket gör att dagens byar på västkusten oväntat ligger tillbakadragna långt från stranden. Dessa effekter är till exempel ganska dramatiska i byn Alby , där järnåldersinvånarna var kända för att livnära sig på ett omfattande kustfiske.
Som ett resultat av postglacial återhämtning förutspås Bottenviken så småningom stängas vid Kvarken om mer än 2 000 år. Kvarken är en UNESCO: s världsnaturarv , utvald som ett " typområde" som illustrerar effekterna av post-glacial återhämtning och holocen glacial reträtt .
I flera andra nordiska hamnar, som Torneå och Björneborg (tidigare Ulvila ), har hamnen behövt flyttas flera gånger. Ortnamn i kustområdena illustrerar också det stigande landet: det finns platser i inlandet som heter 'ö', 'skerry', 'rock', 'point' och 'sund'. Till exempel Oulunsalo "ön Uleåborg " en halvö med inlandsnamn som Koivukari "Björksten", Santaniemi "Sandudd" och Salmioja "sundsbäck". (Jämför [1] och [2] .)
I Storbritannien påverkade glaciationen Skottland men inte södra England , och den postglaciala återhämtningen i norra Storbritannien (upp till 10 cm per århundrade) orsakar en motsvarande nedåtgående rörelse av den södra halvan av ön (upp till 5 cm per århundrade) ). Detta kommer så småningom att leda till en ökad risk för översvämningar i södra England och sydvästra Irland.
Eftersom den glaciala isostatiska justeringsprocessen får landet att röra sig i förhållande till havet, har gamla strandlinjer befunnits ligga över dagens havsnivå i områden som en gång var isglacierade. Däremot börjar nu platser i det perifera utbuktningsområdet som lyftes upp under glaciationen att avta. Därför finns antika stränder under dagens havsnivå i utbuktningsområdet. De "relativa havsnivådata", som består av höjd- och åldersmätningar av de antika stränderna runt om i världen, berättar att isostatisk justering av istiden fortgick i en högre takt nära slutet av deglaciationen än idag.
Den nuvarande upplyftningsrörelsen i norra Europa övervakas också av ett GPS- nätverk som kallas BIFROST. Resultat av GPS-data visar en topphastighet på cirka 11 mm/år i norra delen av Bottenviken , men denna höjningshastighet minskar bort och blir negativ utanför den tidigare iskanten.
I närfältet utanför den tidigare iskanten sjunker landet i förhållande till havet. Detta är fallet längs USA:s östkust, där gamla stränder finns nedsänkta under dagens havsnivå och Florida förväntas vara nedsänkt i framtiden. GPS-data i Nordamerika bekräftar också att landhöjningen blir sättningar utanför den tidigare iskanten.
Globala havsnivåer
För att bilda inlandsisarna från den senaste istiden förångades vatten från haven, kondenserades som snö och avsattes som is på höga breddgrader. Således sjönk den globala havsnivån under glaciationen.
Inlandsisarna vid det sista glaciala maximumet var så massiva att den globala havsnivån sjönk med cirka 120 meter. Därmed exponerades kontinentalsockeln och många öar blev anslutna till kontinenterna genom torra land. Detta var fallet mellan de brittiska öarna och Europa ( Doggerland ), eller mellan Taiwan, de indonesiska öarna och Asien ( Sundaland ). En landbro fanns också mellan Sibirien och Alaska som tillät migration av människor och djur under det sista glaciala maximumet.
Havsnivåsänkningen påverkar också havsströmmarnas cirkulation och har därmed en viktig inverkan på klimatet under glacialmaximum.
Under deglaciationen återgår det smälta isvattnet till haven, därmed ökar havsnivån igen. Geologiska register över havsnivåförändringar visar dock att omfördelningen av det smälta isvattnet inte är densamma överallt i haven. Med andra ord, beroende på platsen kan höjningen av havsnivån på en viss plats vara mer än på en annan plats. Detta beror på gravitationsattraktionen mellan massan av det smälta vattnet och de andra massorna, såsom kvarvarande inlandsisar, glaciärer, vattenmassor och mantelbergarter och förändringarna i centrifugalpotentialen på grund av jordens variabla rotation.
Horisontell jordskorpa rörelse
Medföljande vertikal rörelse är skorpans horisontella rörelse. BIFROST GPS-nätverket visar att rörelsen avviker från mitten av rebound. Den största horisontella hastigheten finns dock nära den tidigare iskanten.
Situationen i Nordamerika är mindre säker; detta beror på den sparsamma spridningen av GPS-stationer i norra Kanada, som är ganska otillgänglig.
Luta
Kombinationen av horisontell och vertikal rörelse ändrar ytans lutning. Det vill säga platser längre norrut stiger snabbare, en effekt som blir påtaglig i sjöar. Sjöbottnarna lutar gradvis bort från det tidigare ismaximumets riktning, så att sjöstränder på sidan av maximum (typiskt norr) drar sig tillbaka och de motsatta (södra) stränderna sjunker. Detta orsakar bildandet av nya forsar och floder. Till exempel sjön Pielinen i Finland, som är stor (90 x 30 km) och orienterad vinkelrätt mot den tidigare iskanten, dränerades ursprungligen genom ett utlopp mitt i sjön nära Nunnanlahti till sjön Höytiäinen . Lutningsförändringen fick Pielinen att spränga genom Uimaharju- ån vid sjöns sydvästra ände och skapa en ny flod ( Pielisjoki ) som rinner till havet via sjön Pyhäselkä till sjön Saimen . Effekterna liknar den som gäller havsstränder, men sker över havet. Lutning av mark kommer också att påverka vattenflödet i sjöar och åar i framtiden och är därför viktigt för planering av vattenresurshushållning.
I Sverige har Sommens utlopp i nordväst en rekyl på är 2,36 mm/a medan det i östra Svanaviken är 2,05 mm/a. Det betyder att sjön sakta lutar och de sydöstra stränderna drunknade.
Tyngdkraftsfält
Is, vatten och mantelstenar har massa , och när de rör sig, utövar de en gravitationskraft på andra massor mot dem. Sålunda gravitationsfältet , som är känsligt för all massa på ytan och inuti jorden, av omfördelningen av is/smält vatten på jordens yta och flödet av mantelstenar inuti.
Idag, mer än 6 000 år efter att den senaste deglaciationen upphörde, gör flödet av mantelmaterial tillbaka till det glacierade området att jordens övergripande form blir mindre oblate . Denna förändring i topografin på jordens yta påverkar de långa våglängdskomponenterna i gravitationsfältet. [ citat behövs ]
Det föränderliga gravitationsfältet kan detekteras genom upprepade landmätningar med absoluta gravimetrar och nyligen av GRACE -satellituppdraget. Förändringen i långvågskomponenter i jordens gravitationsfält stör också satelliternas omloppsrörelse och har upptäckts av LAGEOS satellitrörelse.
Vertikal datum
Det vertikala datumet är en referensyta för höjdmätning och spelar en avgörande roll i många mänskliga aktiviteter, inklusive lantmäteri och konstruktion av byggnader och broar. Eftersom postglacial återhämtning kontinuerligt deformerar jordskorpans yta och gravitationsfältet, måste det vertikala datumet omdefinieras upprepade gånger över tiden.
Stresstillstånd, jordbävningar inom plattan och vulkanism
Enligt teorin om plattektonik resulterar platt-plattinteraktion i jordbävningar nära plattgränser. Emellertid finns stora jordbävningar i miljöer inom plattor som östra Kanada (upp till M7) och norra Europa (upp till M5) som är långt borta från dagens plattgränser. jordbävningen i New Madrid med magnituden 8 som inträffade i mitten av det kontinentala USA år 1811.
Glaciala belastningar gav mer än 30 MPa av vertikal stress i norra Kanada och mer än 20 MPa i norra Europa under glaciala maximum. Denna vertikala spänning stöds av manteln och litosfärens böjning . Eftersom manteln och litosfären kontinuerligt reagerar på de förändrade is- och vattenbelastningarna, förändras stresstillståndet på vilken plats som helst med tiden. Förändringarna i orienteringen av stresstillståndet registreras i de postglaciala förkastningarna i sydöstra Kanada. När de postglaciala förkastningarna bildades i slutet av deglaciationen för 9000 år sedan, var den horisontella huvudspänningsorienteringen nästan vinkelrät mot den tidigare iskanten, men idag är orienteringen i nordost–sydväst, längs havsbottnens spridningsriktning i mitten av Atlanten . Ridge . Detta visar att stressen på grund av postglacial återhämtning hade spelat en viktig roll vid deglacial tid, men har gradvis slappnat av så att tektonisk stress har blivit mer dominerande idag.
Enligt Mohr-Coulombs teori om bergbrott undertrycker stora glaciala belastningar i allmänhet jordbävningar, men snabb deglaciation främjar jordbävningar. Enligt Wu & Hasagawa är returspänningen som är tillgänglig för att utlösa jordbävningar idag i storleksordningen 1 MPa. Denna spänningsnivå är inte tillräckligt stor för att spricka intakta bergarter utan är tillräckligt stor för att återaktivera redan existerande fel som är nära att gå sönder. Sålunda spelar både postglacial återhämtning och tidigare tektonik viktiga roller i dagens jordbävningar inom plattan i östra Kanada och sydöstra USA. Generellt sett kunde postglacial rebound-stress ha utlöst jordbävningarna inom plattan i östra Kanada och kan ha spelat en viss roll i att utlösa jordbävningar i östra USA inklusive jordbävningarna i New Madrid 1811 . Situationen i norra Europa idag kompliceras av de nuvarande tektoniska aktiviteterna i närheten och av kustbelastning och försvagning.
Ökande tryck på grund av isens vikt under glaciationen kan ha undertryckt smältgenerering och vulkanisk aktivitet under Island och Grönland. Å andra sidan kan minskande tryck på grund av deglaciation öka smältproduktionen och vulkaniska aktiviteter med 20-30 gånger.
Den senaste tidens globala uppvärmning
Den senaste tidens globala uppvärmning har fått bergsglaciärer och inlandsisar på Grönland och Antarktis att smälta och den globala havsnivån att stiga. Att övervaka havsnivåhöjningen och massbalansen av inlandsisar och glaciärer gör det därför möjligt för människor att förstå mer om den globala uppvärmningen.
Den senaste tidens höjning av havsnivån har övervakats av tidvattenmätare och satellithöjdsmätare (t.ex. TOPEX/Poseidon) . Förutom tillsatsen av smält isvatten från glaciärer och inlandsisar, påverkas de senaste havsnivåförändringarna av den termiska expansionen av havsvatten på grund av global uppvärmning, havsnivåförändring på grund av deglaciation av det sista glaciala maximumet (postglacial havsnivåförändring) , deformation av land och havsbotten och andra faktorer. För att förstå global uppvärmning från havsnivåförändringar måste man alltså kunna separera alla dessa faktorer, särskilt postglacial återhämtning, eftersom det är en av de ledande faktorerna.
Massförändringar av inlandsisar kan övervakas genom att mäta förändringar i isytans höjd, deformationen av marken under och förändringarna i gravitationsfältet över inlandsisen. Således ICESat , GPS och GRACE satellituppdrag användbara för sådana ändamål. Glacial isostatisk justering av inlandsisarna påverkar dock markdeformationen och gravitationsfältet idag. Därför är det viktigt att förstå glacial isostatisk justering för att övervaka den senaste tidens globala uppvärmning.
En av de möjliga effekterna av den globala uppvärmningens utlösta återhämtning kan vara mer vulkanisk aktivitet i tidigare istäckta områden som Island och Grönland. Det kan också utlösa jordbävningar inom plattan nära iskanterna på Grönland och Antarktis. Ovanligt snabb (upp till 4,1 cm/år) nuvarande isostatisk återhämtning på grund av nyligen gjorda ismassförluster i Amundsenhavets fjärdingsregion i Antarktis i kombination med låg regional mantelviskositet förutspås ge en blygsam stabiliserande inverkan på inlandsisens instabilitet i Västantarktis , men sannolikt inte i tillräcklig grad för att arrestera den.
Ansökningar
Hastigheten och mängden av postglacial återhämtning bestäms av två faktorer: viskositeten eller reologin (dvs. flödet) av manteln, och historien om isladdning och lossning på jordens yta.
Viskositeten hos manteln är viktig för att förstå mantelkonvektion , plattektonik , dynamiska processer på jorden, det termiska tillståndet och jordens termiska utveckling. Viskositeten är dock svår att observera eftersom krypexperiment med mantelstenar med naturliga töjningshastigheter skulle ta tusentals år att observera och omgivningstemperaturen och tryckförhållandena är inte lätta att uppnå under tillräckligt lång tid. Således ger observationerna av postglacial rebound ett naturligt experiment för att mäta mantelns reologi. Modellering av glacial isostatisk justering tar upp frågan om hur viskositeten förändras i radiella och laterala riktningar och om flödeslagen är linjär, olinjär eller sammansatt reologi. Mantelviskositeten kan dessutom uppskattas med seismisk tomografi , där seismisk hastighet används som en observerbar proxy
Istjocklekshistorier är användbara i studiet av paleoklimatologi , glaciologi och paleo-oceanografi. Istjocklekshistorier härleds traditionellt från de tre typerna av information: För det första ger havsnivådata vid stabila platser långt bort från deglaciationscentra en uppskattning av hur mycket vatten som kom in i haven eller motsvarande hur mycket is som låstes upp vid glaciationsmaximum . För det andra, läget och datumen för slutmoräner berättar om utbredningen och tillbakadragandet av tidigare inlandsisar. Glaciärernas fysik ger oss den teoretiska profilen av inlandsisar vid jämvikt, den säger också att tjockleken och horisontell utbredning av jämviktsinstäcken är nära relaterade till inlandsisens basala tillstånd. Således är volymen av is som är låst proportionell mot deras momentana area. Slutligen kan höjderna på gamla stränder i havsnivådata och observerade landhöjningshastigheter (t.ex. från GPS eller VLBI ) användas för att begränsa lokal istjocklek. En populär ismodell som härleds på detta sätt är ICE5G-modellen. Eftersom jordens svar på förändringar i ishöjden är långsam, kan den inte registrera snabba fluktuationer eller vågor av inlandsisar, så inlandsprofilerna som härleds på detta sätt ger bara den "genomsnittliga höjden" över tusen år eller så.
Glacial isostatisk justering spelar också en viktig roll för att förstå den senaste tidens globala uppvärmning och klimatförändringar.
Upptäckt
Före 1700-talet trodde man i Sverige att havsnivån föll. På initiativ av Anders Celsius gjordes ett antal märken i berg på olika platser längs den svenska kusten. År 1765 kunde man dra slutsatsen att det inte var en sänkning av havsnivån utan en ojämn landhöjning. År 1865 Thomas Jamieson med en teori om att landhöjningen hade samband med istiden som först upptäcktes 1837. Teorin accepterades efter undersökningar av Gerard De Geer av gamla strandlinjer i Skandinavien publicerade 1890.
Rättsliga konsekvenser
I områden där landhöjningen ses är det nödvändigt att definiera de exakta gränserna för egendom. I Finland är den "nya marken" juridiskt sett tillhörande ägaren av vattenområdet, inte några markägare på stranden. Om markägaren vill bygga en brygga över den "nya marken" behöver de därför tillstånd från ägaren till det (tidigare) vattenområdet. Strandägaren får lösa in den nya marken till marknadspris. Vanligtvis är ägaren av vattenområdet delningsenheten för markägarna av stränderna, ett kollektivt holdingbolag.
Formulering: havsnivåekvation
Havsnivåekvationen ( SLE ) är en linjär integralekvation som beskriver havsnivåvariationerna associerade med PGR. Grundidén för SLE går tillbaka till 1888, när Woodward publicerade sitt banbrytande arbete om formen och positionen för medelhavsnivån, och har först senare förfinats av Platzman och Farrell i samband med studiet av havsvatten. Med Wu och Peltiers ord ger lösningen av SLE den rums- och tidsberoende förändringen av havsbatymetri som krävs för att hålla havsytans gravitationspotential konstant för en specifik deglaciationskronologi och viskoelastisk jordmodell. SLE-teorin utvecklades sedan av andra författare som Mitrovica & Peltier, Mitrovica et al. och Spada & Stocchi. I sin enklaste form lyder SLE
där är havsnivåförändringen, är havsytans variation sett från jordens massacentrum och är vertikal förskjutning.
I en mer explicit form kan SLE skrivas som följer:
där är colatitude och är longitud , är tid, och är densiteterna för is respektive vatten, är referensytans gravitation, är havsnivån Greens funktion (beroende på och viskoelastiska last-deformationskoefficienter - LDCs), är istjockleksvariationen, representerar den eustatiska term (dvs. havets medelvärde för ), och betecknar rums-temporala faltningar över isen - och havstäckta regioner, och överstången indikerar ett medelvärde över havens yta som säkerställer massbevarande.
Se även
- Holocen glacial reträtt – Global deglaciation som började för cirka 19 000 år sedan och accelererade för cirka 15 000 år sedan
- Upphöjd strand , även känd som marin terrass – Emergent kustlandskap
- Fysiska effekter av klimatförändringar – Effekter skapade av klimatförändringar
- Stress (mekanik) – Fysisk kvantitet som uttrycker inre krafter i ett kontinuerligt material
- Isostatisk depression - Motsatsen till isostatisk rebound
- Lambeck, K.; C. Smither; P. Johnston (juli 1998). "Havsnivåförändring, glacial återhämtning och mantelviskositet för norra Europa" . Geophysical Journal International . 134 (1): 102–144. Bibcode : 1998GeoJI.134..102L . doi : 10.1046/j.1365-246x.1998.00541.x .
- Garai, J. (2003). "Post glaciala rebounds mäter litosfärens viskositet". arXiv : fysik/0308002 .
- King Huber, N. (1973). "Glacial och postglacial geologisk historia av Isle Royale National Park, Michigan" . Geological Survey Professional Paper 754-A . National Park Service .
- Samordningskommittén för de stora sjöarnas grundläggande hydrauliska och hydrologiska data (november 2001). "Senbar vertikal rörelse över de stora sjöarna - återbesökt" (PDF) . Geodetic Survey Division of Natural Resources Canada.
Vidare läsning
externa länkar
- Glacial Rebound NASA
- GRACE Gravity Mission från GPZ Arkiverad 2008-05-08 på Wayback Machine , Potsdam
- BIFROST GPS-resultat från Harvard University