7.9: Agua de deshielo glacial

Agua de deshielo glacial

General

El agua de deshielo glacial es el agua líquida producida por la ablación de los glaciares. El agua de deshielo es en la mayoría de los glaciares, con mucho, el producto más importante de la ablación; es mucho más importante que la evaporación. Por supuesto, en los glaciares que terminan en el océano, el parto es más importante.

La importancia del agua de deshielo glacial es doble:

• Está íntimamente involucrado con el movimiento del hielo glaciar, por su influencia tanto en la fluencia como en el deslizamiento basal.

• El agua de deshielo puede transportar enormes cantidades de sedimentos glaciares y depositar ese material cerca o lejos del glaciar.

Mientras que la actividad del hielo glaciar en sí es mayor cerca de la línea de equilibrio, la actividad del agua de deshielo aumenta hasta un máximo en el término del glaciar.

El agua de deshielo glacial es abundante en las superficies de todos los glaciares templados debajo de la línea de nieve. Incluso durante la temporada de fusión, el agua de deshielo superficial no es común por encima de la línea de nieve, porque el agua se hunde fácilmente en la nieve que se derrite. Glaciar descendente de la línea de nieve, sin embargo, los flujos superficiales de agua de deshielo durante la temporada de fusión son comunes. El agua de deshielo está presente en los glaciares polares solo de manera local y temporal, porque pronto se vuelve a congela.

Por lo general, los arroyos de agua de deshielo en la superficie de un glaciar se hunden en el cuerpo del glaciar antes de llegar al término; recuerda que el agua líquida es más densa que el hielo, por lo que el agua de deshielo trata de encontrar una manera de bajar hacia el glaciar. Es un poco como verter agua en una sartén de cubitos de hielo semiconectados. Ya sabes lo que eventualmente sucede: los cubitos de hielo terminan flotando en el agua. En un sentido real, el agua de deshielo de un glaciar tiende a abrirse camino debajo del glaciar para hacer que el glaciar flote en su propio agua de deshielo. Lo único que evita que un glaciar real se vuelva como los cubitos de hielo semiconectados que flotan en tu sartén es que el equilibrio entre la producción y el drenaje del agua de deshielo favorece el drenaje sobre la producción.

El agua de deshielo se clasifica en función de dónde se encuentra en el glaciar, como agua de deshielo supraglacial (en la parte superior del glaciar), agua de deshielo englacial (dentro del glaciar) y agua de deshielo subglacial (debajo del glaciar). De la misma manera, las fuentes de agua de deshielo pueden ser vistas como superficiales, internas y basales. En la mayoría de los glaciares las fuentes superficiales son mucho mayores que las fuentes internas o basales, en uno o incluso dos órdenes de magnitud. Las fuentes superficiales son fuertemente estacionales, pero las fuentes internas y basales no se ven afectadas en gran medida por las estaciones.

Fuentes superficiales:

• La fuente principal es la ablación durante la temporada de fusión estival. Esto cae bruscamente hacia arriba del glaciar, solo al revés de las cuencas fluviales normales.

• La lluvia en la zona de ablación, principalmente en la estación cálida, es otra fuente. En un sentido técnico estrecho esto no es agua de deshielo, sino que es indistinguible del verdadero agua de deshielo y siempre se considera de la misma manera.

Fuentes internas y basales:

• Si el hielo en la base del glaciar se encuentra en su punto de fusión a presión, el calor geotérmico derrite el hielo allí en lugar de ser conducido hacia arriba. Dependiendo del valor local del flujo de calor, esto representa uno o dos centímetros de espesor de hielo por año. Se han observado directamente películas de agua de deshielo en las bases de los glaciares.

• El calentamiento por fricción tanto por deformación interna como por deslizamiento basal causan fusión si el hielo está en su punto de fusión a presión. Esto generalmente representa algo así como 0.5 a 5 cm de hielo por año.

• Algo de agua de deshielo se produce al fundirse por el calor generado por la fricción del propio flujo de agua de deshielo. Las cantidades no son importantes, pero este efecto parece ser importante en la creación y mantenimiento de vías de drenaje englaciales y subglaciales.

• El flujo de agua subterránea del regolito y el lecho rocoso debajo del glaciar es localmente importante.

Vías de drenaje

Observamos escorrentía superficial en forma de canales supraglaciales, pero también vemos que estas corrientes superficiales de agua de deshielo se sumergen en grietas y agujeros tubulares verticales llamados moulins. Y vemos importantes arroyos de agua de deshielo emergiendo de debajo del glaciar en la terminal. Por lo que debe haber importantes rutas englaciales y subglaciales de agua de deshielo así como rutas supraglaciales.

Es fácil hacer estudios casuales del drenaje superficial del agua de deshielo, pero ha habido pocos estudios detallados. Y es difícil estudiar corrientes subglaciales y sobre todo englaciales, por razones obvias. Pero hay algunos enfoques teóricos bastante confiables que son ampliamente consistentes con lo que se sabe sobre el drenaje englacial y subglacial y sus consecuencias deposicionales.

Las corrientes superficiales se forman donde se produce más agua de deshielo que la que puede absorberse localmente en el glaciar o mantenerse como agua porosa en el abeto o nieve en la superficie del glaciar. Los canales de flujo varían en tamaño desde pequeños rills hasta canales grandes de varios metros de ancho y profundidad. Los arroyos pueden o no ser incisos en valles en la superficie del glaciar; eso depende de las tasas relativas de fusión descendente de canal y ablación intercanal.

Los arroyos de agua de deshielo en las superficies glaciares tienen una fuerte tendencia a formar meandros, al igual que los arroyos que fluyen en la tierra. Serpentear sobre hielo no se entiende mejor que serpentear sobre sedimentos, pero presumiblemente hay algún tipo de inestabilidad que implica fusión preferencial en ciertos puntos y menos fusión, o incluso recongelación, en otros puntos. En muchos otros casos, sin embargo, los cursos de los canales están determinados por líneas de debilidad estructural en el hielo.

Las corrientes supraglaciales también tienden a formar redes de arroyos dendríticos, al igual que los sistemas de arroyos en tierra Pero hay varias diferencias importantes:

• La red es densa y parecida a una rejilla; es difícil cortar las principales corrientes troncales cuando el hielo se mueve y se deforma.

• El patrón de drenaje muestra un patrón fuertemente subparalelo, debido a la pendiente relativamente pronunciada del glaciar.

• La densidad de drenaje disminuye hacia arriba del glaciar, ya que la producción de agua de deshielo disminuye hacia arriba

• El patrón de canales es altamente cambiante: se ve diferente cada año dependiendo del desarrollo de nuevas vías de drenaje englaciales. Recuerde que toda la superficie glaciar se mueve cuesta abajo, pero las zonas de extensión general y compresión del glaciar causadas por la topografía del lecho rocoso subglacial, que tienden a controlar las rutas de drenaje englacial, permanecen en un solo lugar. Los moulins se desarrollan, se utilizan durante varias temporadas, y luego se abandonan a medida que toman su lugar otros nuevos de upglacier.

Dinámica del flujo de agua de deshielo debajo de la superficie

Aquí hay algunas observaciones básicas sobre el flujo de agua de deshielo englacial y subglacial:

• En la zona más alta del glaciar, el agua fluye aproximadamente verticalmente hacia abajo de grietas y moulins en flujo de caída libre. Estas vías de drenaje verticales tienen un nivel de agua definido en ellas que se puede medir con bastante facilidad. (Sin embargo, trate de no caer en uno.) Este nivel de agua cambia con el tiempo, en escalas de horas a días, dependiendo de la temperatura del aire, el sol y las precipitaciones.

• Por lo general, los cambios en el nivel del agua de moulin a moulin se correlacionan a lo largo de todo el glaciar, sugiriendo la existencia de un nivel freático conectado dentro del glaciar.

• Este nivel freático puede variar desde justo en la superficie del glaciar, en momentos de máxima producción de agua de deshielo en la primera parte de la temporada de fusión, cuando no hay muchos pasajes fácilmente explotables, hasta muy profundos (probablemente hasta la base del glaciar) al final de la temporada de fusión, cuando los pasadizos están completamente desarrollados pero el suministro de agua de deshielo ha disminuido.

• Ha habido pocas observaciones de las formas de las vías de drenaje englaciales debajo de los moulins. Estas vías de drenaje se consideran no verticales, con una gran componente horizontal a su orientación. Una pieza de evidencia: túneles circulares englaciales vistos en las caras de icebergs recién partos alrededor de la capa de hielo de Groenlandia. (Un túnel circular es la forma de equilibrio si el agua fluye en un conducto cerrado en el hielo, ya que la isotropía aproximada del hielo policristalino suele ser una buena suposición si el hielo está lejos de la base del glaciar, donde el cizallamiento por deformación interna es más fuerte).

• Tiempos de viaje: el tinte se inyecta en puntos de inmersión y se monitorea donde emergen los arroyos subglaciales. Las velocidades de movimiento son algo así como 1—2 km por hora, pero hay una amplia variabilidad. Esto significa tiempos totales de viaje de uno a varios días en glaciares comunes del valle. Pero las velocidades deben aumentar aguas abajo dentro de un sistema de drenaje dado: el flujo en los grandes túneles de hielo en el extremo aguas abajo de la red es probablemente muy alto, muchos metros por segundo. Las espectaculares fuentes formadas donde dichos túneles subglaciales se descargan bajo el agua en lagos de márgenes glaciares es buena evidencia de ello.

• ¿Qué se sabe sobre el flujo en grandes túneles subglaciales? A menudo, el flujo que emerge de los túneles tiene una superficie libre, pero esta superficie libre generalmente se inclina hacia arriba en relación con el techo en la dirección aguas arriba, por lo que es razonable suponer que solo una corta distancia upglacier el flujo es flujo de conducto cerrado, sin superficie libre. Y los arroyos que terminan debajo de los lagos glaciales están fluyendo claramente llenos hasta el final. En momentos de baja descarga cerca del final de la temporada de fusión, sin embargo, la mayoría o todos los conductos tienen superficies libres en ellos.

• Cualquier túnel glacial por debajo de unas pocas decenas de metros, donde el hielo pueda fluir plásticamente, tiende a cerrarse completamente por la entrada de hielo, si no se mantiene abierto por algún otro medio. Hay dos formas en que el túnel puede mantenerse abierto: por presión de agua igual a la presión hidrostática en el hielo mismo, o por fusión de las paredes del túnel por el agua que fluye. La Figura 7-27 muestra una gráfica del tiempo de semivida para el cierre de un túnel de hielo vertical en función de la presión de sobrecarga para hielo en su punto de fusión de presión.

Figura 7-27. Tiempo de vida media para el cierre de un túnel de hielo vertical en función de la presión de sobrecarga para hielo en su punto de fusión de presión.

• Se sabe que el hielo glaciar policristalino en su punto de fusión a presión, tanto observacional como teóricamente, es permeable al flujo de agua. Hay vetas o pequeños pasillos en límites lineales de tres granos (Figura 5-28), que se encuentran en cuatro patas en uniones de punto de cuatro granos. Estas uniones tienen generalmente forma tetraédrica. Esto se puede observar en un cuidadoso trabajo microscópico con hielo, y también se puede justificar en términos de argumentos de energía superficial. El ángulo de unión entre dos granos de hielo y agua líquida es de aproximadamente 20° (Figura 5-29). Por lo tanto, el agua siempre puede filtrarse a través de un glaciar cálido, sea cual sea el estado de los grandes pasillos.

Figura 7-28 (izquierda). Croquis de pasadizos de agua en límites lineales de tres granos en hielo glaciar.

Figura 7-29 (derecha). El ángulo de unión entre dos granos de hielo y agua líquida es de aproximadamente 20°.

La idea básica sobre la hidráulica del flujo de agua de deshielo dentro de un glaciar es que se mantiene entre la presión del agua y la presión que controla el tamaño de los túneles de flujo. Para comprender la naturaleza de estos ajustes, observe un túnel simplificado (Figura 7-30) que se extiende verticalmente desde la superficie hasta la base del glaciar y luego horizontalmente hasta el término. La capa freática, la superficie libre del agua en la parte vertical del túnel, se muestra cerca de la superficie del glaciar.

Si el túnel es demasiado grande, es capaz de transportar una mayor descarga que la que se suministra desde la superficie del glaciar, y el nivel del agua en el túnel vertical cae. Eso disminuye la presión del agua más allá en el túnel a un valor menor que la presión de hielo alrededor de las paredes del túnel, por lo que el túnel se cierra, estrechando así el flujo a través del túnel y haciendo que el nivel del agua suba hasta que la presión del agua se acumule para ser igual a la presión del hielo, estabilizar el diámetro del túnel.

Figura 7-30. Un túnel simplificado de flujo de agua a través de un glaciar.

De igual manera, si el túnel es demasiado pequeño para una descarga de agua de deshielo dada, el nivel freático en la parte vertical del túnel se eleva, aumentando así la presión del agua a un valor mayor que la presión del hielo en la pared del túnel, por lo que el túnel se abre por salida radial de la pared de hielo, lo que lleva a una mayor descarga y caer en el nivel freático. El diámetro del túnel se estabiliza de nuevo a un valor para el cual la presión del agua es igual a la presión del hielo en las paredes del túnel.

De acuerdo con el argumento anterior, se suele suponer que en estado estacionario (descarga constante, cierto nivel de agua, cierto diámetro del túnel) la presión del agua es igual a la presión del hielo en cada sección transversal del túnel. Pero tiene que haber una corrección significativa a esto. La descarga de agua de deshielo a través del túnel tiende a derretir las paredes del túnel, por dos efectos: (1) el calor generado por la fricción en el flujo, y (2) el calor transportado desde la superficie por el agua de deshielo que está ligeramente por encima de la congelación. Entonces, en equilibrio, las paredes de hielo del túnel tienen que fluir hacia adentro hacia el centro del túnel a una velocidad finita para equilibrar esta tasa de fusión de la pared. El ajuste descrito anteriormente se modifica de tal manera que la presión del agua es un poco mayor que la presión del hielo.

Un buen caso se puede hacer para otra consecuencia importante de este efecto de fusión de la pared: los pasajes más grandes crecen a expensas de los pasajes más pequeños. ¿La razón? (1) se genera más calor en relación con el área de la pared por fricción viscosa en los pasajes más grandes que en los pasajes más pequeños; y (2) más calor en relación con el área de la pared es transportado por el agua por encima de la congelación de la superficie en los pasajes más grandes que en los pasajes más pequeños.

La consecuencia es que debido a este crecimiento diferencial de pasajes más grandes, la red tridimensional de pasajes en el glaciar tiende con el tiempo a volverse dendrítica, con afluentes que se unen en pasajes troncales cada vez más grandes. Esto es ampliamente consistente con las pocas observaciones del patrón de los pasadizos internos de agua de deshielo en los glaciares.

TEMA AVANZADO: LA HIDRÁULICA DEL FLUJO DE AGUA DE DESHIELO DENTRO DE LOS GLACIARES

1. El pasaje vertical y luego horizontal en la Figura 7-30 que se utilizó para ilustrar los puntos de anticipación es claramente poco realista. ¿Cuál es la direccióndel flujo de agua de deshielo en el hielo? Esa pregunta lleva a su vez a lo que hace que el agua fluya dentro de un glaciar en primer lugar. La respuesta a esta última pregunta es: gradientes espaciales en la diferencia entre la presión real del agua y la presión hidrostática (es decir, la presión que se mediría en el punto dado si el agua no se estuviera moviendo).

2. La Figura 7-31 muestra este efecto en un pasaje simplificado. La presión hidrostática es constante a lo largo del segmento horizontal del pasaje, pero el agua fluye desde el tanque superior al tanque inferior debido al gradiente en la presión del agua causado por la diferencia en el nivel de agua entre los dos tanques. Si eso no te convence, solo considera que el estado del flujo en el segmento horizontal sería exactamente el mismo si aumentas el nivel del agua en ambos tanques por la misma distancia vertical, cambiando así la presión hidrostática pero no el gradiente de presión.

Figura 7-31. Flujo de agua en un pasaje horizontal debido a un gradiente en la presión del agua.

3. Ahora mira la situación en un glaciar real. Piense en la presión del agua y la presión del hielo en un punto P dentro del glaciar (Figura 7-32). H es la elevación de la superficie de hielo sobre un dato arbitrario, y z es la elevación del Punto P por encima de ese mismo dato. La presión del hielo\(p_{i}\) en el Punto P es

\(p_{i}=\rho _{i}g(H-z)\)(14)

y la presión del agua p w en el mismo punto es aproximadamente

\(p_{w}=p_{i}\)(15)

por la línea de razonamiento en los párrafos 9.3.2 a 9.3.4. (Olvídate del pequeño efecto del derretimiento del hielo de la pared.)

Figura 5-32. Croquis de definición para el análisis del efecto de la presión del agua y la presión del hielo en un punto de un glaciar.

4. El agua tiende a moverse a través de la red de pasajes en la dirección del gradiente de un potencial\(\Phi\) que se puede representar como una familia de superficies suavemente curvadas con la propiedad de que la dirección de disminución más rápida de la presión del agua es en todas partes normal a las superficies. Esto es solo una generalización de la idea de que en una situación unidimensional como una tubería circular recta el agua se mueve en dirección de presión decreciente. (Es igual que la función del potencial gravitacional que describe la dirección de caída de los cuerpos en todos los puntos cercanos a la superficie de la Tierra, que es la dirección del aumento o disminución más rápido de la energía potencial a medida que mueve el cuerpo hacia arriba o hacia abajo en el campo de gravedad de la Tierra).

5. El potencial puede ser representado por una ecuación como

\(\Phi =\Phi _{o}+p_{w}+\rho _{w}gz\)(16)

donde el primer término a la derecha es solo una constante aditiva arbitraria, el segundo término es la presión real del agua, y el tercer término es la presión hidrostática que produciría una columna de agua inmóvil por encima del punto dado.

6. Sustituyendo las Ecuaciones 14 y 15 en la Ecuación 16 para deshacerse de p w y p i, e ignorando la constante arbitraria\(\Phi _{o}\),

\ (\ Phi =p_ {i} +\ rho _ {w} gz
=\ rho _ {i} g (H-z) +\ rho _ {w} gz
=\ rho _ {i} gH+ (\ rho _ {w} -\ rho _ {i}) gz\) (17)

(Recuerde que la dirección del drenaje será normal a las superficies equipotenciales.)

7. El ángulo\(\alpha \) de inmersión de estas superficies equipotenciales se puede encontrar con la ayuda de la Figura 5-33:

\(tan\alpha =\frac{\frac{\partial \Phi }{\partial x}}{\frac{\partial \Phi }{\partial z}}\)(18)

o, resolviendo para el ángulo

\(\alpha =arctan\frac{\frac{\partial \Phi }{\Phi x}}{\frac{\partial \Phi }{\partial z}}\)(19)

Figura 7-33. Flujo de agua en un glaciar en respuesta al gradiente de un potencial.

Dado eso\(\rho _{i}=0.9\rho_{w}\), el resultado en la Ecuación 19 nos dice que los túneles englaciales se inclinan hacia abajo del glaciar ¡unas 11 veces más empinadas que la superficie del

8. Entonces, ¿qué sucede cuando los pasadizos llegan a la base del glaciar? Los túneles subglaciales están limitados a seguir el lugar de descenso más pronunciado del componente de la función potencial\(\Phi\) paralelo localmente al lecho glaciar. (Basta pensar en términos de las curvas que se encuentran sobre el lecho glaciar que están formadas por las intersecciones de la superficie equipotencial con el lecho, y luego tomar direcciones en el lecho que son normales a esas curvas de intersección). En un lecho glaciar horizontal, esto es en la misma dirección que la pendiente de la superficie. Pero si el lecho glaciar no está nivelado, los túneles pueden cruzar las divisiones del lecho rocoso. Incluso puede haber lagos subglaciales, donde hay “huecos” en las superficies equipotenciales (es decir, donde las direcciones normales a las superficies equipotenciales se sumergen localmente en un ángulo más suave que el lecho del glaciar).