תַקצִיר
קרחון הוא גוש קרח גדול הנמצא בתנועה. קרחונים יבשתיים הם תופעת טבע המצויה באזורים הקרים של כדור הארץ. אם תיסעו אל קרחון יבשתי ותסתכלו בו, תראו מאגר ענק של קרח בין פסגות הרים. נדמה שהוא לא זז כלל, אבל המראה מטעֶה. קרח הוא למעשה נוזל סמיך במיוחד, והוא זורם בדומה לדבש – רק הרבה יותר לאט. אם תרצו לראות קרחון יבשתי בתנועה, תצטרכו לחכות הרבה זמן. אבל אם תצלמו אותו ותחזרו ותצלמו אחרי כמה ימים, יתברר לכם שהוא אכן זז, ואם תשוו בין שני הצילומים תוכלו גם למדוד לאיזה מרחק. במחקרים על קרחונים יבּשתיים אנחנו משתמשים בשיטה דומה – אבל משתמשים בצילומי לוויין. הלוויינים מרחפים מעל כל חלקי כדור הארץ ויכולים להשקיף על כל קרחון שהוא. כך אפשר לחקור את זרימת הקרחונים בכל מקום בעולם.
מה זה קרחון יבשתי?
אולי אתם תוהים איך נוצרים קרחונים יבּשתיים ומדוע הם זורמים. קרחונים אלה עשויים משלג היורד בהרים הגבוהים (איור 1). השלג בעמקים שבין ההרים לא נמס אלא ממשיך להצטבר עם כל סופת שלגים. נוצרת ערימת שלג בגובה מטרים רבים, ומשקלה דוחס את פתיתי השלג ויוצר מהם קרח. הקרח הדחוס הזה זורם במורד ההר, כי הוא כבד מאוד ומחליק על הסלע שתחתיו. באזורים הנמוכים יותר של העמק הטמפרטורות גבוהות יותר, ולכן הקרח נמס: גבישי הקרח הופכים לטיפות מים, הטיפות מתלכדות לנהר, והוא זורם לתוך אגם או אוקיאנוס.
קרחונים הם נושא חשוב ומעניין למחקר. הם חשובים כי בעצם הם מאגרים ענקיים של מים מתוקים, שיכולים לשמש את התושבים הרבים שגרים ליד נהרות קרחוניים ותלויים במים שזורמים בהם. והם גם מעניינים כי אפשר ללמוד באמצעותם על מזג האוויר בעבר ועל מגמות ארוכות-טווח של מזג אוויר. כלומר, בעזרת קרחונים אפשר ללמוד על האקלים. איך? בעזרת העובדה שכשיורד יותר שלג נוצר יותר קרח – ובתקופות חמות יחסית יותר קרח נמס.
איך זורם קרחון?
תנועת קרח מראש הקרחון אל העמק היא עניין מסובך. תנועה של קרחונים יבשתיים מורכבת משני תהליכים: עיוות פנימי, וגלישה. שניהם תהליכים מורכבים. הראשון, עיוות פנימי, מתייחס לכך שקרח הוא למעשה נוזל סמיך מאוד – הוא זורם בדומה לדבש, רק הרבה יותר לאט. מידת העיוות הפנימי תלויה בדחיסות ובטמפרטורה של הקרח בקרחון – ובדרך כלל אין לנו מידע על הגורמים האלה. המרכיב השני הוא גלישה, והוא מתייחס לחיכוך בין קרקעית הקרחון לבין הסלע שתחתיו. לפעמים יש תחת הקרחון שכבה דקה של מים, או ערוצי נחל1. המים מצמצמים את החיכוך בין הקרח לסלע, כך שהקרחון גולש ביֶתר קלות. אבל כמות המים משתנה. למשל, באביב, כשמזג האוויר חמים והשמש זורחת, כמות מי השלגים עולה. לכן יש בתקופות מסוימות פלגים שזורמים תחת הקרחון, ובזמנים אחרים המים נקווים ויוצרים שלוליות בתוך שקעים בסלע.
איך מחַשבים תנועה של קרחונים?
תנועה של קרחון יבּשתי היא שילוב של זרימת הקרח (שהוא, כאמור, נוזל סמיך ביותר) עם גלישתו על הסלע שתחתיו. הגורם הראשון, הזרימה, תלוי בעיקר בעובי הקרח ובשיפוע הקרקע. למשל, עובי של קרחון הרים טיפוסי הוא כמאה מטרים, ושיפוע המדרונות ברוב העמקים הקרחוניים הוא בין 2 מעלות ל-20 מעלות. לפי הנתונים האלה אפשר לחשב איזה מרחק יעבור קרחון במשך יום כתוצאה מעיוות פנימי. את החישוב עושים לפי ”חוק הזרימה של גְלֶן“. אפשר לראות חישובים לדוגמה בגיליון העבודה הזה2 אבל זרימה היא רק אחד משני מרכיבים של תנועת הקרחון, ועדיין אין לנו דרך לחשב את המרכיב השני – הגלישה על פני הסלע. מה שאפשר לעשות הוא למדוד בעזרת לוויינים את התנועה הכוללת של הקרחון.
מדידה של תנועת קרחונים
עובי הקרחון משתנה במהלך הזמן, כאשר שלג יורד או קרח נמס. בדרך כלל העובי משתנה בכשניים או שלושה מטרים בשנה. זה נשמע הרבה, אבל יחסית לעובי הכולל של הקרחון מדובר בשינוי קטן (בדקו בעצמכם בגיליון העבודה המצורף איך מהירות הקרחון משתנה עם העובי!) אם מחשבים רק את זרימת הקרח, מקבלים מספר קבוע, כאילו הקרחון נע בקצב אחיד. אבל בזכות המדידות אנחנו יודעים שמהירות הקרחונים משתנה. כבר לפני יותר ממאה שנה מדדו את מהירות התזוזה של קרחונים יבשתיים. עשו זאת בעזרת תקיעת יתדות בקרחון והשוואת המיקום המשתנֶה שלהם עם הסלעים הסמוכים. התוצאות הראו שמהירות הקרחון משתנָּה בין האביב לקיץ. כיום, כשיש לנו טכנולוגיות של ניווט לווייני ותקשורת ממרחק, אפשר לנטוע בקרחון יתדות GPS, שהם עצמם מודדים, מתעדים ושולחים לנו נתונים על תזוזת הקרחון. ג’ק קוהלר ממכון הקוטב הנורבגי ביצע פרויקט כזה. הוא הציב מספר יתדות GPS על הקרחון ”קרונֶבּרן“ שעל האי סבאלבּארד, הנמצא באזור הארקטי הגבוה. באיורים 2 ו-3 רואים אותו נוטע יתד כזה על הקרחון. התמונות צולמו ממסוק, כי כפי שאתם רואים, הקרחון מלא סדקים ענקיים. תארו לכם כמה קשה לבצע מחקר על קרחון, וכמה מסוכן ללכת עליו – אם לא נזהרים, אפשר בקלות ליפול לתוך תהום כזאת!
כאשר מעיינים בנתונים שהתקבלו ממכשיר GPS כזה, כמו באיור 4, אפשר לראות שהקרחון לא נע בצורה אחידה. במשך התקופה שבה נאספו הנתונים האלה, היתד עבר מרחק של יותר מ-300 מטרים – אם כי לפי החישובים שערכנו בעזרת ”חוק גלן“, צפינו שינוע רק 250 מטרים! תוספת המרחק היא תוצאה של גלישת הקרחון על הסלע. אם ניקח את המרחק שהקרחון עבר במציאות ונחסֵר אותו מהמרחק הצפוי לפי חוק גלן, נקבל מושג על השפעת הגלישה על התנועה של הקרחון. כשהקווים בגרף שבאיור רחוקים יותר זה מזה, המשמעות היא שיש לא רק זרימה של הקרח בקרחון, אלא שהקרחון גם גולש מרחק גדול על פני הסלע. אבל לא תמיד מתרחשת גלישה. באיור 4 אפשר לראות שהיא לא קבועה. התקופות שבהן השיפוע של הקו האדום והקו המקווקו לא זהֵה הן התקופות שבהן הייתה גלישה רבה של הקרחון על הסלע.
עזרה מן החלל
אם אנחנו רוצים לחקור את ההתנהגות של קרחונים רבים, יהיה לנו קשה מאוד להציב יתדות GPS על כל אחד ואחד מהם. יש כמעט 200,000 קרחונים יבשתיים בעולם. השיטה הזאת אינה מעשית, וגם לא יהיה יפה במיוחד לקשט את כל הקרחונים בעולם ביתדות GPS! למזלנו יש לוויינים החגים במסלול סביב כדור הארץ. הם מצלמים את פני כדור הארץ, ובצילומים האלה אפשר להשתמש כדי למדוד תנועת קרחונים, במקום לנעוץ בהם יתדות .GPS
חשוב מאוד לבדוק שאכן אפשר לקבל מתמונות לוויין את אותם פרטים שהיינו מקבלים מיתדות GPS על תנועת קרחונים. וזה נושא המחקר שלנו: מדידת תנועה של קרחונים באמצעות צילומים מן החלל. אנחנו משתמשים בתמונות ששולח הלוויין SPOT5. הוא חג בחלל מאז 2002, ובזמן המחקר שלנו, המסלול שלו עבר באותה נקודה מדי חמישה ימים במשך קיץ שלם. זאת הייתה הזדמנות מושלמת לבחון את יעילות השיטה שלנו, וביקשנו מסוכנות החלל האירופית (ESA) לצלם את הקרחון קרונֶבּרן וגם קרחון בשם קאסקאווּלש (Kaskawulsh) הנמצא בקנדה. הסוכנות הסכימה, והתצלומים שאספה עובּדו על ידי סוכנות החלל הצרפתית (CNES) שהלוויין שייך לה.
תנועה של קרחון מרוחק בקנדה
הנה מה שגילינו כשבדקנו צילומי לוויין של הקרחון קאסקאווּלש. הוא נמצא במערב קנדה, ברכס ההרים קלוּאָני (Kluane, ראו (איור 5B). כדי לעקוב אחרי תנועת הקרחון בעזרת תצלומי לוויין, יצרנו תמונה מסוג חדש. נקטנו באותה גישה שבה השתמשנו בעבודה עם יתדות GPS, אבל במקום לבדוק את הנתונים של נקודה אחת בלבד, כפי שהם נרשמים ביתד ה-GPS, הסתכלנו על כל הפיקסלים לאורך קו מסוים בצילומי הלוויין, והִנַחנו את כל הצילומים (שצולמו מדי חמישה ימים) בשכבות על הקו הזה. התקבלה תמונה מסוג שנקרא ”פרוסת מרחב-זמן“. בתחילה היא נראית אולי מוזרה, אבל כשלומדים לקרוא אותה, אפשר לראות בה את תזוזת הקרחון קאסקאווּלש!
באיור 5C תראו ”פרוסת מרחב-זמן“ המתייחסת לקטע מהחלק העליון של הקרחון. כשאתם מסתכלים בה, זכרו שמה שמעניין אותנו הוא המהירות. מהירות מוגדרת כמרחק שעצם עובר במשך פרק זמן מסוים. כשעצם מסוים על הקרחון, סלע למשל, משנה את המיקום שלו (שמיוצג בציר Y) במשך פרק זמן מסוים (שמיוצג בציר X), אפשר לעקוב אחרי השינוי. למשל, אם סלע מונח ליד הקרחון ולא עליו, המהירות שלו תהיה אפס, כלומר במשך הזמן הנמדד הוא לא יזוז כלל. לכן, ב”פרוסה“ שלנו, הוא יופיע כקו אנכי ישר. אבל סלע המונח על פני הקרחון ינוע, ולכן ייַצֵר קו נטוי. זה מה שאתם רואים בתמונה.
חלקים שונים של הקרחון אינם בהכרח זזים יחד
לפי הקווים בשרטוט, אפשר לראות מה הייתה מהירות הקרחון במשך תקופה מוגדרת. באיור 6 אפשר לראות את המהירות בשני מקומות שונים על קרחון קסקאוולש, שקראנו להם ”עליון“ ו”תחתון“. הגרף מראה שבתקופה של תחילת האביב, הקרחון עבר מרחק של כמטר אחד ליום, אחר כך האיץ בבת אחת לשלושה מטר ליום, ואז שוב האט עד שכמעט חזר למהירות המקורית. החוקרת גוֶון פלאוֶורס, מאוניברסיטת סיימון פרייזר שבוונקובר, הציבה תחנה מטאורולוגית אוטומטית ליד המקטע העליון. באיור 6 מופיע גם גרף הטמפרטורות שנרשם בתחנה הזאת, והוא רומז לנו על הסיבה למהירות המוגברת של הקרחון. לקראת סוף החורף, הטמפרטורה באזור היא 10 מעלות מתחת לאפס. באביב, היא עולה במהירות אל מעל לאפס. העובדה הזאת תומכת במה שאנחנו כבר יודעים: מי השלג המצטברים מתחת לקרחון יכולים להגביר את המהירות שלו. שימו לב גם להבדל בין המהירות של הקטע העליון ושל הקטע התחתון. הקו האנכי השחור בכל גרף מראה מתי החלה מהירות הקרחון להתגבר. אפשר לראות שבגרף השמאלי, המתייחס לקטע העליון של הקרחון, ההאצה מתחילה כמה ימים אחרי ההאצה בקטע התחתון, שרשומה בגרף הימני. כלומר, החלק הנמוך של הקרחון כבר התקדם במהירות כאשר החלק הגבוה החל להאיץ.
התופעה הזאת – הֱאצה שמתחילה בחלק התחתון של קרחון ועוברת למעלה בהמשך – קשורה לכך שהקרח נמס באביב. הקרח מתחיל להִמס באזורים הנמוכים, שהם פחות קרים, וממשיך באזורים הגבוהים יותר בהמשך האביב. ראינו זאת גם לפי יתדות ה-GPS – ועכשיו אנחנו יודעים שאפשר לראות את התופעה גם מהחלל!
מה גילינו?
כפי שראיתם, מתברר שאפשר לעקוב אחרי שינויי מהירות של קרחון הנמצא באזור נידח של קנדה. לפני שהיו בעולם לוויינים, המדענים נדרשו לעשות את המסע הארוך והקשה עד לקרחונים האלה. אבל כיום הלוויינים מאפשרים איסוף מידע על הרבה יותר קרחונים, והודות לו יש לנו הבנה משופרת על זרימת קרחונים ומהירותה.
בעזרת הנתונים האלה אפשר לנסות לחשב את החיכוך בין הקרחון לסלע בתקופות ובתנאים שונים, ולפתח נוסחה. כבר היו כמה הצעות לנוסחה כזאת, אבל קשה להחליט איזו מהנוסחאות נכונה. היא צריכה לכלול את ההשפעה של מֵי השלגים על המהירות – מה שמסבך את העניין, כי כמות המים משתנה מעונה לעונה. בנוסף, קשה לראות מה קורה מתחת לשכבת קרח עבה כל כך, ולכן קשה לבדוק אם התוצאות נכונות במציאות. נקווה שהמידע המגיע אלינו מהחלל יעזור לנו להחליט מה הנוסחה המתאימה ביותר לשינויי המהירות, וכך יוכלו מדענים אחרים לצפות את עתידם של גושי הקרח הענקיים הללו.
אני מקווה שלמדתם משהו מעבודתנו, ואם פעם יהיה לכם המזל הגדול לבקר בקרחון, זכרו שהקרח אולי נראה דומם, אבל הוא בהחלט זז – ולא רק זה, אלא גם מגיב לשינוי מקור החורף לחמימות הקיץ.
מילון מונחים
חיכוך (Friction): ↑ חיכוך הוא ההתנגדות לתנועה של גופים הנמצאים במגע זה עם זה. תוכלו לראות איך הוא פועל אם תניחו ספר על ידכם ותַטו את היד בהדרגה. הזווית שבה הספר יתחיל להחליק תלויה במידת החספוס של היד. אם ידכם רטובה, הספר יחליק ממנה ביֶתר קלות, כי רטיבות מקטינה את החיכוך.
שיפוע (Slope): ↑ מידת התלילוּת של קו ישר.
חוק הזרימה של גְלֶן (Glen's flow law): ↑ את הזרימה האיטית של גוש קרח, הדומה לזרימה של דבש, אפשר לתאר באמצעות נוסחה מתמטית. בעזרתה אפשר לחשב איך יתנהג הקרח בנסיבות ובמצבים שונים. לשם כך צריך למדוד את התנהגות הזרימה של קרח. ג’ון גלֶן [1] בדק זאת במעבדה בטמפרטורות שונות, ועם הנתונים שמצא, יצר ג’ון נַיי (Nye) [2] נוסחה המתארת איך מתנהג גוש קרח גדול על משטח. ראו גיליון העבודה שבקישור: http://folk.uio.no/basal/frontiers/ice.html
לוויין (Satellite): ↑ גוף שמימי המקיף גוף שמימי אחר. לוויין יכול להיות טבעי (כמו הירח) או מלאכותי. יש לוויינים החגים במסלול סביב כדור הארץ, שמותקנים בהם חיישנים ומצלמות, והם יכולים לשלוח צילומים לכדור הארץ.
יתדות (GPS-Stakes) GPS: ↑ ראשי התיבות GPS הם קיצור של Global Positioning System, ובעברית ”מערכת איכּוּן עולמית“. זהו מנגנון אלקטרוני שמחשֵב, בעזרת אותות רדיו מלוויינים, איפה על פני כדור הארץ הוא נמצא. יתד GPS הוא מוט אלומיניום ארוך שבקצה העליון שלו אנטנת GPS ובקצה התחתון – סוללה גדולה. החוקרים קודחים עמוק בקרח ומחדירים אליו את היתד, כך שהוא מקובע היטב לקרחון ועם זאת כשני מטרים שלו עדיין בולטים החוצה, כדי שהאנטנה לא תתכסה בשלג בחורף.
האזור הארקטי הגבוה (High arctic): ↑ החלק הצפוני ביותר של כדור הארץ נקרא ”החוג הארקטי“. הוא מקבל פחות אור שמש מהאזורים הקרובים יותר למרכז הכדור, ולכן האקלים קר יותר, ולצמחים קשה מאוד לגדול בו. לכן הצמחייה על פני כדור הארץ משתנה בהדרגה ככל שמתקדמים צפונה, ואפשר להבחין בין אזורי צמחייה שונים. בחוג הארקטי יש שני אזורי צמחייה: האזור הארקטי הנמוך, שבו הקור עז אבל עצים עדיין יכולים לצמוח; והאזור הארקטי הגבוה, שבו הטמפרטורות כבר לא מאפשרות צמיחת עצים, הקרקע סלעית ברובה, והצמחייה כוללת רק צמחים קטנים וטחב.
מסלול (Orbit): ↑ כאן הכוונה למסלול כבידתי שבו לוויינים חגים סביב כדור הארץ או כל כוכב לכת אחר.
תחנה מטאורולוגית אוטומטית (Automatic weather station): ↑ קבוצת מכשירים המודדים היבטים שונים של מזג האוויר: מהירות הרוח, כיוון הרוח, טמפרטורה, לחות, עוצמת אור השמש, החזרוּת האור ממשטחים, ועוד מדדים רבים. כל המכשירים מחוברים למתקן המוצב על פני הקרחון. המתקן צריך להיות גדול כדי שהרוח לא תפיל אותו, וגבוה כדי שהשלג לא יכסה אותו. החיישנים פועלים כל הזמן, וכדי לספק להם חשמל יש לתחנה סוללות גדולות וגם לוחות סולאריים. בכל קיץ מגיע/ה לתחנה חוקר/ת קרחונים כדי לוודא שהמכשירים תקינים, ולאסוף את הנתונים שנשמרו בכונן בתחנה.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
הערות שוליים
[1] ↑ מפני שקרח הוא פחות דחוס ממים. אתם יכולים לבדוק זאת בעצמכם – שימו קרח בכוס מים, והוא יצוף.
[2] ↑ בגיליון האקסל שבקישור תוכלו לעשות את החישוב בעצמכם: http://folk.uio.no/basal/frontiers/ice.html.
מקורות
[1] ↑ Glen, J. W. 1952. Experiments on the deformation of ice. J. Glaciol. 2:111–4. doi: 10.1017/S0022143000034067
[2] ↑ Nye, J. F. 1952. The mechanics of glacier flow. J. Glaciol. 2:82–93. doi: 10.3189/S0022143000033967