Tämä artikkeli perustuu paljolti professori Doug Bennin ja kollegoiden Earth Science Reviews -lehdessä julkaistuun erinomaiseen katsaukseen kalvoitusprosesseista. Jos haluat tietää lisää jäätiköiden kalvoitumisesta, tämä katsaus on hyvä lähtökohta.
Kalvoituminen on jäätiköntutkimuksen termi jään mekaaniselle katoamiselle (tai yksinkertaisesti jään irtoamiselle) jäätikön reunalta1. Calving on yleisintä, kun jäätikkö virtaa veteen (eli järviin tai mereen), mutta sitä voi tapahtua myös kuivalla maalla, jolloin sitä kutsutaan kuivaksi calvingiksi2.
Perito Morenon jäätikön calvingin reuna Argentiinan Patagoniassa. Kuva: Liam Quinn
Miksi kalvaminen on tärkeää?
Jääjärviin päättyvillä (tai makean veden) jäätiköillä kalvaminen on usein hyvin tehokas ablaatioprosessi, ja siksi se on tärkeä jäätikön massatasapainon säätelijä4-7.
Kalvaminen on tärkeää myös jäätikön dynamiikan ja jään vetäytymisnopeuden kannalta1. Kalvavat jäätiköt ovat usein erittäin dynaamisia, ja niiden käyttäytymismallit (esim. jäätikön eteneminen ja vetäytyminen) ovat ainakin osittain ilmastosta riippumattomia4-7.
Makeanveden- ja vuorovesijäätiköiden väliset erot
Makeanvedenjäätiköt ovat tavallisesti pienempiä ja hitaammin liikkuvia kuin mereen laskevat jäätiköt (tai vuorovesijäätiköt), kuten Antarktiksen ja Grönlannin mannerjäätiköiden reuna-alueilla. Tämä tarkoittaa sitä, että vaikka kalvettumisprosessit voivat olla hyvin samankaltaisia molemmissa ympäristöissä, makean veden jäätiköiden kalvettumisnopeus on yleensä alhaisempi1.
Kalvettumisen perusteet: jään murtuminen
Ennen kalvettumista pienemmät halkeamat ja murtumat jäätikön jäässä kasvavat (tai etenevät) suuremmiksi railoiksi (ks. kuva alla). Halkeamien kasvu jakaa jään tehokkaasti lohkoiksi, jotka myöhemmin putoavat kuonosta viereiseen järveen (jossa niitä kutsutaan jäävuoriksi). Näin ollen jään murtuminen on tärkeä säätelijä, joka vaikuttaa seuraaviin seikkoihin: missä jäätiköiden syntyminen tapahtuu, syntyvien jäävuorten koko ja kuinka usein jäätiköiden syntymistapahtumat tapahtuvat1.
Islantilaisen Fjallsjökullin voimakkaasti halkeillut kuono, jossa jäälohkareet ovat valmiina irtoamaan halkeamistapahtumissa. Kuva: Wojciech Strzelecki
Murtumien kasvu
Jäätikön jään halkeamat ja murtumat kasvavat, kun murtumaan vaikuttava jännitys on suurempi kuin jään murtolujuus8. Kun tämä ehto täyttyy, jää murtuu hauraasti, jolloin olemassa olevat halkeamat syvenevät ja laajenevat. Suuria jännityksiä esiintyy jäätiköissä monissa tilanteissa. Hyviä esimerkkejä ovat: kun jäätikön jäätä venytetään (”vedetään erilleen”) tai puristetaan (”puristetaan yhteen”) virtauksen seurauksena.
Esimerkki suurista murtumista Goldbergkees Gletscherin kuonossa Itävallan Alpeilla. Kuva: Ewald Gabardi
Veden täyttämät halkeamat
Vedellä on keskeinen rooli halkeamien syvyydessä ja kalkkeutumisen todennäköisyydessä (ks. kaavio alla). Vettä sisältämättömässä railossa railon kärjessä oleva jännitys kompensoituu yläpuolisen jään painolla. Tämä aiheuttaa halkeaman sulkeutumisen. Veden täyttämässä railossa veden paine kuitenkin kompensoi jään painon. Näin rako pääsee ulottumaan syvemmälle jäähän ja usein jäätikön pohjaan asti8.
Luiskat avautuvat usein jäätikön laajenevan virtauksen vuoksi, joka saa jään ”venymään” tai vetäytymään erilleen. Vedettömässä railossa jään paino pakottaa murtuman kiinni. Sen sijaan vedellä täytetyssä halkeamassa vedenpaine vaikuttaa jään painon vastapainoksi, jolloin halkeama voi syventyä. (kaavio muokattu viitteestä 8)
Laskeutumisprosessit
Makean veden jäätiköillä on useita pääasiallisia laskeutumismekanismeja, jotka kaikki liittyvät jäätikön päätepisteessä olevaan jännitykseen.1.
Jään venyminen ja rakoilu
Jään virtaus järven päätepisteeseen laskevalla maadoittuneella jäällä muuttuu yleensä nopeammaksi (pohjan liukumisen vuoksi) lähellä suuta. Tämä johtuu siitä, että nokka on lähellä järvivedessä kellumista, mikä vähentää kitkavastusta pohjassa1,9. Nopeampi virtaus lähellä päätepistettä saa jään ”venymään” ja railot leviävät jäätikön läpi (ks. alla oleva kaavio). Tämä prosessi, jota kutsutaan pitkittäisvenymäksi, synnyttää voimakkaasti halkeilevia jäätikön suupieliä (ks. kuva alla). Jäätiköityminen tapahtuu halkeamien muodostamia heikkouksia pitkin1,9,10.
Jään nopeampi virtaus lähellä jäätikön reunaa vähentää pohjavastusta, mikä saa jään venymään ja halkeamat avautumaan. Kun jännitykset ovat suuria, railot etenevät jäätikön läpi ja syntyy calving.
Harmaan jäätikön voimakkaasti railoitunut päätepiste, Chilen Patagoniassa, on muodostunut osittain jään pituussuuntaisen venymisen vuoksi. Kuva: NASA Earth Observatory
Greassit voivat muodostua myös kauempana jäätikön yläpuolella oleviin alueisiin, kuten jääputouksiin, joissa jää virtaa nopeasti jyrkän maaston poikki8. Jääputouksiin muodostuneet railot tarjoavat todennäköisiä alueita jäätikön kalvaantumiselle, kun ne siirtyvät jäätikköä alaspäin kohti jäätikön päätepistettä (ks. alla oleva kaavio)1.
Jäätikön päätepistettä saavuttaessaan jyrkkäpiirteisessä maastossa, kuten jääputouksissa, muodostuneet railot tarjoavat todennäköisiä alueita jäävuoren kalvaantumiselle. T1 = jääputouksessa muodostuvat railot. T2 = halkeamat liikkuvat jäätikköä alaspäin ja edistävät kalvettumista.
Voimien epätasapaino jäätikön päätepisteessä
Leijuvan jäätikön päätepisteessä ulospäin suuntautuva kryostaattinen paine (eli jään aiheuttama paine) ja sisäänpäin suuntautuva hydrostaattinen paine (eli veden aiheuttama paine) ovat epätasapainossa (ks. alla oleva kaavio)11. Järven vesirajan alapuolella hydrostaattinen paine on osittain tasapainossa kryostaattisen paineen kanssa. Vesirajan yläpuolella on kuitenkin hyvin vähän sisäänpäin suuntautuvaa (ilmakehän) voimaa, joka tasapainottaisi kryostaattista painetta11. Tämä epätasapaino synnyttää jään pintaan suuren jännityksen vyöhykkeen, joka avaa halkeamia ja edistää jään kalvettumista1.
Diagrammi, joka havainnollistaa ulospäin suuntautuvan kryostaattisen paineen ja sisäänpäin suuntautuvan hydrostaattisen paineen välisiä eroja. Järven vesirajan yläpuolella ilmakehä antaa vain vähän vastapainoa kryostaattiselle paineelle, mikä johtaa suuriin jännityksiin päätepisteen jääjyrkänteessä ja kalvettumiseen.
Päätepisteen jääjyrkänteen alittavuus
Jäätikön jää järven vesirajalla tai sen alapuolella sulaa usein nopeammassa tahdissa kuin järven vesirajan yläpuolella oleva jää. Vesilinjan sulaminen rapauttaa usein loven, joka alittaa kalvavan jääkallion (ks. kuva alla)6,12,13. Kun jäätikkö on jäänyt jään alle, jäätikön irtoaminen voi tapahtua kaatumalla eteenpäin, kun jäälohkareet kaatuvat, tai kun vesilinjan loven katto romahtaa1.
Vesilinjan lovet syntyvät usein kesällä, mutta ne lakkaavat muodostumasta talvella, kun jäätikköjärven lämpötila on viileämpi ja/tai kun järven pinta jäätyy. Näin ollen loven eroosion aiheuttama kalvaminen noudattaa yleensä kausittaista kaavaa6,12,13.
Esimerkki termoerosionaalisesta lovesta, joka on leikattu terminaaliseen jääkallioon. Kuva: Michael Clarke
Sulaminen järven vesirajalla tai sen alapuolella voi rapauttaa loven terminaaliseen jääkallioon (T1). Kun lovi kasvaa ajan mittaan, jääjyrkänne muuttuu epävakaaksi ja lohkareet kaatuvat ulospäin (T2).
Kalvaantumistapahtuma Perito Morenon jäätiköllä Argentiinan Patagonian Patagoniassa, joka johtui englacial-tunnelin katon romahtamisesta. Kuva: Rafael Bernstein
Vetovoimat jäätikön päätepisteessä
Kun jäätikön pinta ohenee jään kellumiseen tarvittavan tason alapuolelle, reunasta tulee kelluva ja se nousee irti pohjasta7. Jos pinnan oheneminen jatkuu, kelluvuus kasvaa, mikä aiheuttaa suuria taivutusvoimia pohjakosketuslinjalla, suurten railojen kasvua ja lopulta kalvaantumista7. Tämä prosessi tuottaa usein suuria jäävuoria.
Avovoima voi aiheuttaa suuria taivutusvoimia jäätikön perusviivalla, kun jäätikön pinta laskee kellumistasolle. Tämän prosessin seurauksena syntyy suuria taulumaisia jäävuoria.
Buoyantti voi myös aiheuttaa kalvettumista järven pinnan alapuolella. Vedenalaista kalvettumista tapahtuu usein silloin, kun ”jääjalka” on kehittynyt vesirajan yläpuolella tapahtuneiden kalvettumistappioiden vuoksi (esim. lovieroosion ja kaatuvien jääjyrkänteiden vuoksi). Vesirajan yläpuolella tapahtuva jään häviäminen vähentää jääjalkaa painavaa jääpeitteen painetta, jolloin ylöspäin suuntautuvat nostovoimat voivat murtaa jäätä ja aiheuttaa kalvettumisen1. Tällaisissa tapahtumissa jäävuoret voivat ampua nopeasti ylös järven pintaan ja nousta joskus satojen metrien päähän jäärintamasta.
Buoyanttipainovoimat aiheuttavat vedenpinnan alapuolisen ”jäänjalan” kalvettumisen vesirajan yläpuolella olevan jään häviämisen ja jään yläpuolisen paineen alenemisen vuoksi.
Benn, D.I., Warren, C.R. ja Mottram, R.H., 2007. Calving processes and the dynamics of calving glaciers. Earth-Science Reviews, 82, 143-179.
Diolaiuti, G., Smiraglia, C., Vassena, G. ja Motta, M., 2004. Dry calving processes at the ice cliff of Strandline Glacier northern Victoria Land, Antarctica. Annals of Glaciology, 39, 201-208.
Warren, C.R., 1994. Freshwater calving and anomalous glacier oskillations: recent behavior of Moreno and Ameghino Glaciers, Patagonia. The Holocene, 4, 422-429.
Naruse, R. ja Skvarca, P., 2000. Dynamic features of thinning and retreating Glaciar Upsala, a lacustrine calving glacier in southern Patagonia. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 32, 485-491.
Warren, C.R. ja Kirkbride, M.P., 2003. Calving speed and climatic sensitivity of New Zealand lake-calving glaciers. Annals of Glaciology, 36, 173-178.
Boyce, E.S., Motyka, R.J. ja Truffer, M., 2007. Flotation and retreat of a lake-calving terminalus, Mendenhall Glacier, southheast Alaska, USA. Journal of Glaciology, 53, 211-224.
Benn, D.I. ja Evans, D.J.A., 2010. Glaciers and Glaciation. Routledge. pp. 802.
O’Neel, S., Pfeffer, W.T., Krimmel, R. ja Meier, M., 2005. Evolving force balance at Columbia Glacier, Alaska, during its rapid retreat. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 110(F3).
Warren, C. ja Aniya, M., 1999. Eteläisen Etelä-Amerikan kalvavat jäätiköt. Global and Planetary Change, 22, 59-77.
Reeh, N., 1968. Kelluvien jäätiköiden ja jäähyllyjen jään vasomisesta. Journal of Glaciology, 7, 215-232.
Kirkbride, M.P. ja Warren, C.R., 1997. Calving processes at a grounded ice cliff. Annals of Glaciology, 24, 116-121.
Haresign, E. ja Warren, C.R., 2005. Sulamisnopeudet vasomispäätteillä: tutkimus Glaciar Leónilla, Chilen Patagoniassa. Geological Society, London, Special Publications, 242, 99-109.