冰蓋(Ice sheet),即“大陸冰川”“大陸冰流”,是指面積巨大、冰層很厚、不受地形限制、覆蓋了大片陸地的冰流。因其總體輪廓大致呈盾形,所以又稱作“冰盾”。
冰蓋是在寒冷冰期氣候時,大面積的降水由雨變為雪,由雪轉化為粒雪,再從粒雪變為粒冰,從粒冰集合成冰川冰,停留在陸上積累而形成的。冰蓋的主要特征表現為分布面積大,總體輪廓大致呈盾形,表面起伏相較平緩,中心凸起,向四周降低,間有冰原石山突出冰面,作放射狀流動。冰蓋按照形成位置可以分為大陸冰蓋、島嶼冰蓋、高原冰蓋三種類型。世界上現有最為典型的冰蓋景觀有南極冰蓋和格陵蘭冰蓋。
冰蓋含有大量的固態水,不僅是重要的淡水儲存,還具有十分重要的生態功能。冰蓋融化會導致海平面上升,對極渦產生影響,進而影響全球的氣候;冰蓋豐厚的冰層可以記錄地球氣候歷史。冰蓋還能夠通過淡水徑流的方式幫助支持當地生態系統,運輸營養物質,建立支持大型哺乳動物的食物鏈。
定義
冰蓋,即“大陸冰川”“大陸冰流”,是面積巨大、冰層很厚、不受地形限制,覆蓋了大片陸地的冰流。因其總體輪廓大致呈盾形,所以又稱作“冰盾”。
國家地理學會對冰蓋的定義為——冰蓋是超過 50,000 平方公里(19,000 平方英里)的冰川冰塊。國家冰雪數據中心對冰蓋的定義為——冰蓋是延伸超過 50,000 平方公里(20,000 平方英里)的大塊陸地冰。
形成
形成條件
冰蓋的成冰作用是在沒有融水參與(僅在固相和氣相條件)下進行,稱為冷型變質成冰作用或干燥型變質成冰作用。成冰過程中,以沉陷和凝華再結晶作用為主。形成的冰叫原生重結晶冰,這種冰的氣泡很多,顆粒較細(1~3毫米)。干雪相成冰的時間遠比溫性冰川長。溫性的蘇厄德冰川,在13米深處粒雪變成冰的時間為3~5年;格陵蘭的賽特冰川,在66米深處粒雪變成冰的時間達100年以上;南極洲東方站,在100米深處粒雪變成冰的時間達4000年。
冰川的物質平衡是指冰川的積累與冰川的消融之間的數量關系。冰川的積累主要來自粒雪盆的降雪,其次為周圍山坡峰嶺上的風吹雪和雪崩,以及少量來自表面水汽的凝結和凍結在雪內的雨水。冰川的消融主要是指在太陽輻射、暖濕氣流及其它有關熱源的作用下,冰川發生的融化或蒸發。南極洲作為大陸冰川主要分布地之一,其氣溫很低,南極東方站附近年平均氣溫為-56℃,最低氣溫記錄達-88.3℃;年降水量少,南極洲約一半地區的凈積累量少于10厘米/年。因此,冰蓋的積累量小,消融弱,物質平衡水平低,這些冰體比較穩定。據估算,南極冰蓋的年物質平衡變化范圍為相當于水深+80~-30毫米,但大多數估算為正值。南極冰蓋物質消耗主要是冰架邊緣的不斷崩解和強風把大量積雪吹離冰蓋。因為溫度低,消融局限于有利部位,在物質支出中居次要地位。格陵蘭冰蓋物質收支估算亦為正值。平均總積累量為446立方公里/年,總消融量為315立方公里/年水當量。
形成過程
地球上冰蓋的形成并不是一蹴而就。在地質歷史的新生代,氣候逐漸變冷,兩極冰蓋開始生長,古新世和早始新世延續了白堊紀的溫暖氣候,并在古新世和始新世之交達到頂峰;這種罕見的溫暖適宜期在巔峰狀態延續了3~4Ma之后,地表氣候始逐漸變冷;直至始新世和漸新世之交左右,變冷仍是一個漸變的過程,而34~33Ma的驟然變冷標志著南極冰蓋的形成,地球從此由兩極無冰過渡到單極有冰。之后,地球在晚漸新世出現了回暖。到了中中新世,氣候轉型事件開始發生,地表氣候急劇轉冷,形成完整的東南極冰蓋;此后,一系列階段性變冷事件開始發生并調整,地表氣候在中新世晚期過渡到相對穩定期,南極冰蓋在地表成為主要冰蓋;在7Ma之前北極冰蓋開始形成,至此,地球兩極發育冰蓋代替了單極發育冰蓋;從7Ma到2.7Ma,地球變冷速度加快;直到2.7Ma,北極冰蓋完全形成。
冰蓋的形成像其他冰川一樣,在氣候變得越來越寒冷時,大氣降水由降雨變為降雪,積雪年復一年地積聚,然后融化。略微融化的雪變得更硬并壓縮。它慢慢地將質地從蓬松的粉末變成一塊堅硬的圓形冰粒——粒雪。新雪落下,掩埋了粒雪,下面的粒雪變得更加密集。隨著時間的流逝,粒雪一層一層的累積疊加。當疊加的粒雪層厚度達到大約50米、變得足夠厚時,粒雪顆粒會融合成一大塊固體冰,滯留后積累形成冰蓋,這一過程可以長達幾萬年。
另外,當氣候變冷、雪線降低,山岳冰川逐漸擴大并向山麓地帶延伸,就成為山麓冰川。如果氣候繼續不斷變冷、變濕,積雪厚度加大,范圍擴展,山麓冰川還會不斷向平原擴大,同時由于冰雪加厚而掩埋山地,就成了大陸冰川,即“冰蓋”。
特征
形態特征
冰蓋的形態特征表現為分布面積大,厚度往往超過千米;冰層很厚,不受地型限制;表面大致平緩,中心凸起,向四周降低,呈盾形,間有冰原石山突出冰上。如格陵蘭冰蓋整體面積為165萬平方公里,中心最厚處為1860米,邊緣厚度為45米,呈現出冰蓋中心凸起,四周降低的特征。冰蓋在海岸一帶,往往伸出巨大冰舌,斷裂后入海成為飄浮的冰山。
運動特征
冰蓋的運動是由冰雪自身的重量所造成的差異運動,以及由地熱和摩擦熱而產生的冰體沿底床的滑動來實現的,其中以沿底床滑動的原因為主。冰蓋的運動是從中心向四周作放射狀流動,其流動具有可塑性,它的運動不受下伏地形影響,可以在不平坦的表面上流動、滲出和滑動;在其冰層的強大壓力作用下,冰蓋可以越過較大的地形障礙,在局部地方表現為向上運動,冰蓋能夠覆蓋其運動路徑上的一切,包括整個山谷、山脈和平原。冰蓋運動的速度變化,一般是從它們的中心部位向邊緣遞增。冰蓋由于冰層重量大,對地面有強大壓力,壓力長期作用可使陸地下陷。冰川消融以后,某些壓陷地帶可以積水成湖。
溫度分布
冰蓋內的溫度分布是不一致的,影響因素主要包括冰蓋表面的年積累量、冰的導熱率、地熱流、冰流動產生的熱以及粒雪和冰表層溫度隨平均海拔變化等。冰蓋的溫度分布特點表現為:冰蓋活動層深度較淺,多在10一16m間,而且全年為很低的負溫,縱深層至冰蓋底部亦恒為負溫,甚至很低的負溫;冰蓋活動層以下的冰溫隨深度增加而逐漸增溫(正溫梯度),至底層附近可達到壓力融點,但部分在南極冰蓋的實測冰溫資料中,有許多剖面的冰溫為負溫梯度,即隨冰蓋深度而冰溫降低;冰蓋的溫度梯度的振幅以表面層及冰蓋邊緣較大。
格陵蘭和南極冰蓋許多地點的年平均氣溫和10米深處的杜雪溫度差僅在2℃以內,一般趨勢是粒雪溫度略低于氣溫。冰架底部溫度等于海水冰點,冰架底部熱通量取決于海水溫度、鹽度和冰架下海水的環流。因為冰架由冰蓋補給,冰蓋內溫度分布也影響冰架的溫度分布狀況。
物質成分
根據冰蓋深鉆孔冰巖心的信息,冰蓋中包含少量從大氣散落的各種物質,如海鹽、花扮、風吹塵埃、火山灰、外層空間物質(石隕石等)和自然污染及核試驗的痕量元素。工業時代前的痕量元素的濃度可以測量,把它與現在值比較,便可得到世界范圍污染物質擴散的信息。有些散落物如微粒濃度、痕髓元素(Na、Mg、Ca、K、A1)和極地雪中氧、氫同位索比率等,表現出明顯的季節變化。
分類
冰蓋按照形成位置可以分為大陸冰蓋、島嶼冰蓋、高原冰蓋三種類型。
大陸冰蓋
大陸冰蓋是覆蓋島嶼或大陸的全部或大部的遼闊而濃厚的冰殼。其特征是:冰蓋下面的地形,在大陸冰蓋的表面上大多看不到。在大陸冰蓋的表面,其中央部分幾乎是一個平坦的白色荒漠,當過渡到一些邊緣上,由于消融的影響,冰下的地形才可以看到。大陸冰蓋總的形狀為平凸形或盾形。
島嶼冰蓋
島嶼冰蓋是指分布在島嶼上的冰蓋,是大陸冰蓋的縮影,只是面積比大陸冰蓋小,在表現特征上與大陸冰蓋相同。
高原冰蓋
高原冰蓋是指分布在高原上的冰蓋,其不同于大陸冰蓋和島嶼冰蓋。因為它位于高原,受高原地形的影響。在高原盆地里,由于四周山地冰流匯入盆地而形成的冰蓋,稱為“盆地型高原冰蓋”。在高原很平坦的夷平面山頂上形成的冰蓋,叫做“夷平面型高原冰蓋”。
空間分布
在更新世時期,巨大的冰蓋覆蓋了北美、歐亞大陸和南美洲的大部分地區,大約在18,000年前地球上的冰蓋達到最大尺寸。在地質歷史上,冰蓋曾經廣泛分布,如北美的勞倫泰的冰蓋,歐洲的斯堪的納維亞半島冰蓋,以及中國的華北冰蓋、松遼冰蓋,但這些冰蓋均已經融化消失,僅遺留下冰蓋遺跡。如今,地球上大約十分之一的土地被冰蓋覆蓋,主要分布在地球的南極洲和格陵蘭島。
典型景觀
南極冰蓋
南極冰蓋的起源可追溯到3400萬年以前,南美洲與南極大陸的南極半島徹底分離,形成現在的德雷克海峽,環南極洋流生成,南極大陸開始變冷,南極冰蓋開始形成。至大約1400萬年前,南極迅速降溫,被厚度驚人的冰雪覆蓋,終年不化的積雪逐漸堆積成極厚的冰層,形成現今規模巨大的南極冰蓋。南極冰蓋面積達1398萬平方千米,占南極大陸總面積的98%,直徑達到4500千米。南極冰蓋的平均厚度為1720米,最厚的地方達到4200米。南極冰蓋的總體積多達2450萬立方千米,蘊涵有全球70%的淡水資源,如果全部融化,全球地平線將上升近60米,使地球上的陸地面積縮小近2000萬平方千米,許多沿海地區將被淹沒。
格陵蘭冰蓋
格陵蘭冰蓋是世界第二大冰蓋,是覆蓋格陵蘭島約83.7%的單一冰蓋,由南北兩個穹形冰蓋連接而成,冰蓋邊緣一直覆蓋到海邊,有許多冰川的冰舌伸向海面,在若干峽灣中開成許多冰山。格陵蘭冰蓋形成于第四紀,在距今約18000年時冰蓋面積比今面積大7倍,并與當時北美冰蓋相連接。冰蓋南北長2530千米,最寬(北緣附近)1094千米,面積164萬平方千米,平均厚度1500米左右,最大厚度3200米,冰蓋所含冰雪總量占全球淡水資源的5.4%。格陵蘭冰蓋的規模僅次于南極洲,但卻更加脆弱。比起南極洲冰蓋,它距離寒冷的極地要遠得多,冰蓋最南端位于北緯60度以南。之前的幾個世紀,格陵蘭冰蓋冬夏兩季的消融和補充保持著平衡,從20世紀90年代起,格陵蘭冰蓋的融化速度越來越快。
影響
對氣候的影響
冰蓋發生融化時,會對極渦產生影響,進而影響全球的氣候。北極冰蓋自從20世紀初北極航道的開通及后來的油氣勘探和開采,開始逐漸融化,冰川逐漸流失,永久性凍土層逐漸下降,極區盆地邊緣逐漸沉陷,北極地區海平面和大氣等位面也大幅度下降,導致北極渦旋逐漸變弱,生風乏力,從而使全球氣候變暖。南極冰蓋較厚,氣溫較低,極渦周圍被高原環繞,不易受到外來風的干擾,因此南極極渦比北極極渦更加穩定和強大,不易破裂,持續時間更長。若能保持極區冰蓋不融化,冰川不流失,永久性凍土層不下降,則極渦能得到加強,生風有力,使全球氣候變涼。
對海洋的影響
冰蓋含有大量的冰凍水。如果格陵蘭冰蓋完全融化,科學家估計地平線將上升約7.4米(23英尺)。如果南極冰蓋融化,海平面將上升約60米(200英尺)。隨著地球變暖,從1992年到2020年,極地冰蓋總共失去了超過8.3萬億噸冰,海平面上升高度的1/4是冰蓋融化導致的。研究表明,如果世界保持目前的溫室氣體排放水平,整個格陵蘭冰蓋可能會在3000年融化。
其他影響
冰蓋包含每年的冰層,這些冰層可以記錄地球氣候歷史。通過對鎖定在冰層中的氣泡的研究,可以得知一百萬年前地球的氣候是什么樣的。格陵蘭島和南極洲的動植物主要存在于冰蓋邊緣和冰蓋邊緣之外,冰蓋能夠通過淡水徑流的方式幫助支持當地生態系統,運輸營養物質,建立支持大型哺乳動物的食物鏈。
參考資料 >
Ice Sheet.國家地理學會.2024-05-16
Ice Sheets.國家冰雪數據中心.2024-05-16
衛星數據發現:極地冰蓋正在加速融化.參考消息.2024-05-21
【極地地理】極地冰川的變化是影響全球氣候變化的主要因素.極地問題研究中心.2024-05-21
冰蓋.國家冰雪數據中心.2024-06-07
冰蓋形成.中國大百科全書 第三版 網絡版.2024-06-07
神秘的南極冰蓋.中國地質調查局.2024-05-21