Установившееся распределение пузырьков воздуха по размерам в рекристаллизационном льду


https://doi.org/10.15356/2076-6734-2014-4-20-31

Аннотация

Лёд полярных ледников характеризуется обилием включений (пузырьков) атмосферного воздуха, которые формируются в результате закрытия сообщающихся пор на завершающей стадии рекристаллизационного льдообразования. В слое ледника, залегающем между границей фирн–лёд и началом зоны трансформации газовых включений в гидраты воздуха, геометрические параметры включений (счётная концентрация и средний размер пузырьков) определяются температурой фирна и скоростью аккумуляции льда в период льдообразования, а также сжатием включений в процессе уплотнения ледникового льда после закрытия пор. Последнее означает, что для использования размеров пузырьков в качестве палеоклиматических индикаторов их необходимо предварительно привести к условиям (температуре, давлению атмосферного воздуха) на границе фирн–лёд, что, в свою очередь, требует знания закономерностей изменения распределения пузырьков по размеру на разных глубинах в теле полярного ледника.

В основу теоретического анализа эволюции ансамбля газовых включений положена модель уплотнения пузырькового льда [13, 19], которая в данном приложении использована для описания релаксационного сжатия пузырьков, входящих в различные размерные группы. Теоретическое рассмотрение проблемы привело к заключению об инвариантности формы распределения пузырьков по размеру в стационарных климатических условиях. Этот вывод был подтверждён результатами измерений газовых включений во льду голоценового возраста и в слое льда, сформировавшегося в районе станции Восток в период последнего максимума оледенения (примерно 28–16 тыс. лет назад). Кроме этого, было установлено, что включения воздуха, формирующиеся во льду в разных климатических условиях, также характеризуются практически одинаковым распределением по относительному размеру.

Показано, что распределения нормированных радиусов газовых пузырьков, измеренных на различных глубинах в шести пунктах Антарктиды и Гренландии, близко соответствуют логнормальному закону и характеризуются практически одинаковым стандартным отклонением, равным 0,38±0,05. Инвариантность распределения пузырьков по относительному размеру означает существование связи между приведённым к условиям на границе фирн–лёд средним радиусом включений и их счётной концентрацией, что подтверждается экспериментальными данными.

На основании результатов выполненного исследования разработан простой метод приведения геометрических параметров включений воздуха к известным условиям в момент замыкания фирновых пор, который открывает перспективу одновременного использования двух экспериментально независимых характеристик пузырьков (счётной концентрации и среднего размера) для реконструкции условий льдообразования (температуры и скорости аккумуляции льда).


Об авторах

В. Я. Липенков
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
Россия


А. Н. Саламатин
Казанский (Приволжский) Федеральный Университет
Россия


Список литературы

1. Барков Н.И., Липенков В.Я. Количественная характеристика структуры льда в районе станции Восток до глубины 1400 м // МГИ. 1984. Вып. 51. С. 178–186.

2. Липенков В.Я., Саламатин А.Н. Релаксационное расширение ледяного керна из буровой скважины на станции Восток // Антарктика: Доклады комиссии. 1989. Вып. 28. С. 59–72.

3. Липенков В.Я., Рыскин О.А., Барков Н.И. О связи между количеством воздушных включений во льду и условиями льдообразования // МГИ. 1999. Вып. 86. С. 75–92.

4. Alley R.B., Fitzpatrick J.J. Conditions for bubble elongation in cold ice-sheet ice // Journ. of Glaciology. 1999. V. 45 (149). P. 147–153.

5. Anderson D.L., Benson C.S. The densification and diagenesis of snow: properties, processes and applications // Ice and snow: properties, processes, and applications / Ed W.D. Kingery. Cambridge, MA, M.I.T. Press, 1993. P. 391–411.

6. Arnaud L. Modelisation de la transformation de la neige en glace a la surface des calottes polaires // These de doctorat, de l’Universite Joseph Fourier de Grenoble, 1997. 297 p.

7. Arnaud L., Lipenkov V.Ya., Barnola J.M., Gay M., Duval P. Modeling of the densification of polar firn: characterization of the snow-firn transition // Annals of Glaciology. 1998. V. 27. P. 333–337.

8. Gow A.J. Bubbles and bubble pressure in Antarctic glacier ice // CRREL Research Report. 1968. V. 249. 27 p.

9. Gow A.J., Williamson T. Gas inclusions in the Antarctic ice sheet and their glaciological significance // Journ. of Geophys. Research. 1975. V. 80 (36). P. 5,101–5,108.

10. Jouzel J., Barkov N.I., Barnola J.M., Bender M., Chappellaz J., Genton C., Kotlyakov V.M., Lipenkov V., Lorius C., Petit J.R., Raynaud D., Raisbeck G., Ritz C., Sowers T., Stievenard M., Yiou F., Yiou P. Extending the Vostok ice-core record of palaeoclimate to the penultimate glacial period // Nature. 1993. V. 364 (July 29, 1993). P. 407–412.

11. Krinner G., Raynaud D., Doutriaux C., Dang H. Simulations of the Last Glacial Maximum ice sheet surface climate: implications for the interpretation of ice core air content // Journ. of Geophys. Research. 2000. V. 105 (D2). P. 2059–2070.

12. Lipenkov V.Ya. Air bubbles and air-hydrate crystals in the Vostok ice core // Physics of ice core records / Ed. T. Hondoh. Sapporo: Hokkaido Univ. Press, 2000. P. 243–282.

13. Lipenkov V.Ya., Salamatin A.N., Duval P. Bubbly ice densification in ice sheets: II. Application // Journ. of Glaciology. 1997. V. 43 (145). P. 397–407.

14. Maeno N., Ebinuma T. Pressure sintering of ice and its implication to the densification of snow at polar glaciers and ice sheets // Journ. of Phys. Chemistry. 1983. V. 87 (21). P. 4103–4110.

15. Martinerie P., Raynaud D., Etheridge D.M., Barnola J-M., Mazauder D. Physical and climatic parameters which influence the air content in polar ice // Earth and Planetary Science Letters. 1992. V. 112. P. 1–13.

16. Martinerie P., Lipenkov V., Raynaud D., Chappellaz J., Barkov N.I., Lorius C. Air content paleo record in the Vostok ice core (Antarctica): A mixed record of climatic and glaciological parameters // Journ. of Geophys. Research. 1994. V. 99 (D5). P. 10565–10576.

17. Ohno H., Lipenkov V.Ya., Hondoh T. Air bubble to clathrate hydrate transformation in polar ice sheets: A reconsideration based on the new data from Dome Fuji ice core // Geophys. Research Letters. 2004. V. 31. L21401. doi:10.1029/2004GL021151.

18. Salamatin A.N., Duval P. Creep flow and pressure relaxation in bubbly medium // Intern. Journ. of Solids and Structures. 1997. V. 34 (1). P. 61–78.

19. Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya., Duval P. Bubbly ice densification in ice sheets: I. Theory // Journ. of Glaciology. 1997. V. 43 (145). P. 387–396.

20. Salamatin A.N., Tsyganova E.A., Lipenkov V.Ya., Petit J.R. Vostok (Antarctica) ice-core time-scale from datings of different origins // Annals of Glaciology. 2004. V. 39. P. 283–292.

21. Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya. Simple relations for the close-off depth and age in dry-snow densification // Annals of Glaciology. 2008. V. 49. P. 71–76.

22. Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya., Barnola J.M., Hori A., Duval P., Hondoh T. Snow/firn densification in polar ice // Physics of ice core records / Ed. T. Hondoh. Sapporo: Hokkaido Univ. Press, 2009. V. 2. P. 195–222.

23. Salamatin A.N., Tsyganova E.A., Popov S.V., Lipenkov V.Ya. Ice flow line modeling in ice core data interpretation: Vostok Station (East Antarctica) // Physics of ice core records / Ed. T. Hondoh. Sapporo: Hokkaido Univ. Press, 2009. V. 2. P. 167–194.

24. Saltykov S.A. Stereometricheskaya metallografiya [Stereometric metallography]. [In Russian]. Moscow: Metallurgiya, 1976. 271 p.

25. Shieh S.-Y., Evans J.W. The stability of cylindrical voids and of cylinders subject to temperature gradient // Journ. of Geophys. Research. 1991. V. 72 (16). P. 4093–4100.

26. Shoji H., Langway C.C.Jr. Mechanical properties of fresh ice core from Dye 3, Greenland // Greenland Ice Core: Geophysics, Geochemistry, and the Environment / Ed. C.C.Jr. Langway, H. Oeschger, W. Dansgaard. Washington: DC. American Geophysical Union, 1985. P. 39–48. (Geophysical Monograph 33).

27. Shreve R.L. Migration of air bubbles, vapor figures, and brine pockets in ice under a temperature gradient // Journ. of Geophys. Research. 1967. V. 72 (16). P. 4093–4100.

28. Spencer M.K., Alley R.B., Fitzpatrick J.J. Developing a bubble number-density paleoclimatic indicator for glacier ice // Journ. of Glaciology. 2006. V. 52 (178). P. 358–364.

29. Stauffer B., Schwander J., Oeschger H. Enclosure of air during metamorphosis of dry firn to ice // Annals of Glaciology. 1985. V. 6. P. 108–112.

30. Stehle N.S. Migration of bubbles in ice under a temperature gradient // Physics of snow and ice: Proc. of international conference on low temperature science (1966). V. 1. Pt. 1 / Ed. H. Ôura. Sapporo: Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, 1967. P. 219–232.

31. Weertman J. Bubble coalescence in ice as a tool for the study of its deformation history // CRREL Research Report. 1968. Rep. 251.

32. Wilkinson D.S., Ashby M.F. Pressure sintering by power law creep // Acta Metallurgica. 1975. V. 23 (11). P. 1277–1285.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Липенков В.Я., Саламатин А.Н. Установившееся распределение пузырьков воздуха по размерам в рекристаллизационном льду. Лёд и Снег. 2014;54(4):20-31. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2014-4-20-31

For citation: Lipenkov V.Y., Salamatin A.N. Steady-state size distribution of air bubbles in polar ice. Ice and Snow. 2014;54(4):20-31. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2014-4-20-31

Просмотров: 510

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2076-6734 (Print)
ISSN 2412-3765 (Online)