冰川到底有多随机（十五极端领域沙漠和冰川-3）

6.冰和冰川的性质

我们刚刚讨论了地球上最热的一些地方。现在我们把注意力转移到一些最寒冷的地方。在寒冷地区，水以固态形式存在，形成冰川。

6.1冰是什么?

在地球系统中，天然冰由固态水组成，是液态水冷却到冰点以下时形成的。为了理解在地质背景下冰的自然发生，让我们应用之前关于岩石和矿物的讨论中介绍的概念。我们可以把单个冰晶看作矿物标本，一种自然形成的无机固体，具有确定的化学成分(H2O)和规则的晶体结构。

在这种情况下，一层雪代表一个沉积层，一层被压实的雪使颗粒粘在一起，类似于沉积岩层。我们可以把池塘表面的冰看作是火成岩，因为它是在液态水(熔融的冰)凝固时形成的。那冰川的冰呢?它可与变质岩相媲美，因为它是由先前存在的冰在固态下再结晶而形成的。

冰川的冰是蓝色的。显微镜显示，它有粗大的颗粒和气泡；雪压实并融化形成冰，再结晶成为冰川，其过程类似于变质作用。晶体尺寸随深度增加而增大。

6.2冰川是如何形成的？

冰川可以在极地地区形成，尽管那里每年的降雪相对较少，因为即使在夏季，气温仍然很低，所以冰和雪全年都存在。即使在低纬度地区，由于气温随海拔升高而降低，因此在高海拔地区，年平均气温保持寒冷，足以让冰雪全年生存。因为一个地区的温度取决于它的纬度，所以山脉冰川形成的海拔高度也取决于纬度。目前，雪能在夏季存在的海拔高度在赤道海拔约5公里，在纬度60°约1公里高度。

由约10%的雪花和约90%的空气组成的新飘落的雪是如何转化成冰川的冰的呢？这个过程开始于雪花的尖端变钝，因为它们要么升华(直接蒸发成蒸汽)，要么融化，所以雪更紧密地聚集在一起。当积雪被埋得足够深时，上覆积雪的重量就会产生足够的压力，通过压力溶液使雪花之间剩余的接触点融化。

结果，雪变成了一种被称为粒雪(Firn)的颗粒状物质，其中只含有大约25%的空气。逐渐地，压溶在粒雪颗粒之间的接触产生液态水，并结晶。粒雪变成了由环环相扣的冰晶组成的固态冰，任何残存的空气都只存在于微小的气泡中。

随着时间的推移，冰变得更粗，因为一些晶体在增长，而另一些则在萎缩。持续一年的冰开始融化，变成了冰川。冰川的冰往往吸收除蓝色以外的所有颜色的光，所以它有蓝色。在降雪量大的地区，新雪转化为冰川冰只需几十年，而在降雪量小的地区则需要几千年。

6.3冰川的分类

地质学家将冰川分为两大类：山地冰川和大陆冰川。这种区别取决于冰川形成的环境以及陆地表面的坡度是否影响冰川的流动。

6.3.1高山冰川

或叫山岳冰川生长于山区或毗邻山区。这类冰川包括冰斗冰川，它在山的侧面形成一个碗状凹地，被称为圆环；山谷冰川，沿着山谷流淌的冰河；高山冰帽，淹没山峰和山脊的冰丘；还有山麓冰川，即山谷冰川从山谷中伸出并向附近平原延伸的地方形成的冰扇或冰叶。山地冰川的大小从几百米到几百公里长，从几十米到1.5公里厚。山地冰川下面的土地的坡度影响着冰川流出的方向，总的来说，冰在高海拔处形成，然后下降到低海拔处。

高山冰川按形状和位置分类

瑞士的山谷冰川和冰斗冰川

在阿拉斯加的山谷冰川和冰帽

阿拉斯加海岸附近的山麓冰川

6.3.2大陆冰川

分布在数千平方公里的大陆地壳上的大片冰。它们现在只存在于南极洲和格陵兰岛，但在冰河时期，它们覆盖了其他大陆的大部分地区。大陆冰川从最厚处向外流动，向边缘处逐渐变薄。陆地表面的坡度对大陆冰川的整体运动没有明显的影响。

南极冰盖的等高线地图，山谷冰川将冰原南极东部的冰带到罗斯冰架

南极冰原的横截面，横贯南极洲的山脉把东南极洲和西南极洲分开

风吹走了大部分松散的雪，冰的表面本身就产生了涟漪

地质学家还根据冰川内部冰层的温度来区分冰川的类型。温带冰川存在于一些地区，那里的大气温度可以变得足够温暖，使得冰川在一年中的部分时间或全年都处于或接近其融化温度，极地冰川存在于一些地区，那里的大气温度全年都很低，以至于冰川的冰全年都低于融化温度。

6.4冰川的运动

冰在冰川内移动的方式通常随深度而变化。在深度大于约60米以下冰川的表面，冰可以经受塑性变形，颗粒发生生长和消失。在温带冰川中，沿着晶界形成了滑溜的水流，因此塑性变形也可能涉及到冰晶的微观滑动。

在冰川内小于60米的深度，在被称为脆塑过渡的边界之上，冰不能流动。这种易碎的冰随着它下面的冰流动而移动，并且它会调整以适应冰川形状的变化，就像当冰川流过一块岩架或绕着一条曲线时可能会发生破裂。由冰川的脆性变形而形成的破裂称为裂缝。在大型冰川中，裂缝可达数百米长，并可形成宽达15米的裂缝。

冰隙形成于冰川的上层，那里的冰很脆，裂缝发生在冰川弯曲的地方

重力的拉动可以使冰川沿着表面倾斜的方向流动。山谷冰川从它的头到尾沿着山谷向下流动，即使它的底部必须在局部向上滑行并越过障碍物，只要冰川的表面整体向下倾斜，流动便能保持。大陆冰川从最厚的地方向外扩散，表现得很像一堆蜂蜜倒在盘子上。冰的体积越大，冰盖就会变得越宽。

冰川通常以每年10m到300m的速度流动。然而，并不是冰川的所有部分都以相同的速度移动，山谷冰川的中心移动得比边缘快，顶部移动得比底部快。温带冰川的移动可能由于一种称为基底滑动的过程而加速。

在这个过程中，整个冰川在液态水或饱和水的沉积物上而相对于它的基底滑动。水或含水沉积物使冰川保持在基岩之上，从而减少了摩擦。在局部地区，基底滑动可能引发冰川潮，在此期间，冰加速到每天10m到110m。

冰川的不同部分由于与底物的摩擦而以不同的速度流动，顶部和中心区域比底部和侧面流动得快

6.5冰川的前进和后退

冰川就像银行账户，因为降雪会增加账户中的冰，而消融会从账户中减去冰。消融包括几个过程：升华(冰转化为水蒸气)，融化(冰转化为液态水，然后流动)和崩解(大块的冰断裂)。降雪增加了堆积区冰川的冰量，而消融区冰川的冰量减少。这两个区域之间的边界为平衡线。

平衡线将堆积区与消融区分开

如果消融区冰的损失率等于平衡线以上堆积区的蓄积率，则冰尾的位置保持固定，即使冰川内部的冰继续向冰尾流动。在这一流动过程中，冰沿着一条弯曲的路径，当新的冰在堆积区堆积在上面时，冰向冰川底部下沉；当上覆的冰融化或升华时，冰在消融区向上上升到冰川表面。

如果积累区冰的累积速度超过了平衡线以下消融的速度，那么冰尾就会向前移动到以前没有冰的区域，这种变化称为冰川前进。山地冰川在推进过程中，冰尾的位置向下移动，大陆冰川在推进过程中，冰尾向外移动，远离冰川的起源。

如果冰川消融的速度超过了堆积的速度，那么冰川尾的位置就会向冰川起源的方向移动，这种变化被称为冰川退缩。山地冰川后退时，冰川尾的位置向上移动，大陆冰川后退时，冰川尾向冰川的起源移动。请注意，当冰川后退时，只有冰尾的位置会向原点移动；冰本身继续向冰尾流去，因为它无法抵抗重力。

6.6海水中的冰

1912年4月14日无月之夜，泰坦尼克号在寒冷的北大西洋撞上了一座冰山。就在几分钟前，瞭望员才看到了这个幽灵般的庞然大物，并通知了船的领航员，但船的转弯速度不足以避免灾难的发生。巨大的冲击力撕裂了船体，海水涌入，不到3小时后，泰坦尼克号就消失在了水下。

海上的冰山从何而来？在高纬度地区，山地冰川和大陆冰川向下流动，在某些情况下，流入沿海水域，成为潮汐冰川(Tidewater Glacier)。一个形成于山冰川入海处的潮冰川可以突出几公里，成为一个冰舌，而大陆冰川入海处则成为一个宽阔平坦的冰架。在浅水区，冰川的冰会留在地面上，但在水足够深的地方，冰就会漂浮起来。在潮汐冰川的尾部，大块的冰崩解并伴随着令人印象深刻的飞溅落入水中。

在视频记录的最大的崩解事件中，一个城市大小的冰块，大约10km2，600m厚，在75分钟的过程中从格陵兰岛的一个潮汐冰川处断裂。在这个过程中，冰破裂成无数大小不一的冰块。浮在水面上6m高、至少15m长的大块冰被正式称为冰山。由于五分之四的浮冰位于海平面以下，所以一个大冰山的底部实际上可能在海平面以下几百米。

并非所有漂浮在海里的冰都来自陆地上的冰川。在极地气候中，海洋本身的表面结冰，形成海冰。地球的北极冰帽是由北冰洋表面形成的2m-6m厚的海冰构成的。海冰随着洋流缓慢移动，速度约为每天2km。

夏天，南极洲的一些海冰破裂形成冰山

海冰覆盖着北冰洋的大部分(左)，环绕着南极洲(右)

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