Opin vísindi

Subglacial hydrology of the Icelandic ice caps: Outburst floods and ice dynamics

Subglacial hydrology of the Icelandic ice caps: Outburst floods and ice dynamics


Titill: Subglacial hydrology of the Icelandic ice caps: Outburst floods and ice dynamics
Aðrir titlar: Vatnafræði íslenskra jökla: Jökulhlaup og flæði íss
Höfundur: Einarsson, Bergur   orcid.org/0000-0002-1984-9982
Leiðbeinandi: Tómas Jóhannesson
Útgáfa: 2018-05-23
Tungumál: Enska
Umfang: 111
Háskóli/Stofnun: Háskóli Íslands
University of Iceland
Svið: Verkfræði- og náttúruvísindasvið (HÍ)
School of Engineering and Natural Sciences (UI)
Deild: Jarðvísindadeild (HÍ)
Faculty of Earth Sciences (UI)
ISBN: 9789935930699
Efnisorð: Jöklar; Jöklarannsóknir; Jökulhlaup; Vatnafræði; Vatnafar; Mælingar; Doktorsritgerðir
URI: https://hdl.handle.net/20.500.11815/696

Skoða fulla færslu

Tilvitnun:

Bergur Einarsson, 2018, Subglacial hydrology of the Icelandic ice caps: Outburst floods and ice dynamics, PhD dissertation, Faculty of Earth Science, University of Iceland, 111 pp.

Útdráttur:

 
Continuous GPS measurements on three broad and gently sloping temperate ice-cap outlets in southern and western Vatnajökull, southeast Iceland, and in northern Hofsjökull, central Iceland, are the subject of this thesis. The measurements show events of increased ice velocity and how jökulhlaups (glacial outburst floods) affect glacier motion. Interpretation of these events, with the aid of other available hydrological and glaciological data, such as discharge time series from proglacial rivers and runoff modelling calibrated with mass balance measurements, sheds light on the time-dependent development of the subglacial hydraulic system of the ice cap outlets, and its interaction with ice motion. Motion events unrelated to jökulhlaups are observed: (i) during the early melt season, (ii) contemporaneous with events of increased surface melt or rain, and (iii) during the emptying of supraglacial slush ponds. Events of slower movement than late winter velocities are also observed, prior to early-melt-season motion events and in the wake of motion events during the height of the melt season. We interpret these events, with the aid of runoff modelling on the glacier and estimates of longitudinal stress-gradient coupling lengths, as being induced by hydrological forcing on basal slip. Lack of response in movement to certain runoff pulses and the characteristics of the diurnal variation in measured proglacial discharge indicate the development in the ablation zone of a fast, efficient subglacial hydraulic system early in the summer. The passing of a jökulhlaup and high subglacial groundwater flow do not disturb this development. Three GPS campaigns to measure jökulhlaups have been carried out over known jökulhlaup paths in two outlets from Vatnajökull ice cap, Skaftárjökull and Skeiðarárjökull. Two slowly rising jökulhlaups from Grímsvötn and two rapidly rising jökulhlaups from the western and eastern Skaftá cauldrons were captured in these campaigns, with maximum discharge ranging from 240 to 3300m3 s-1. Glacier surface movements measured in these campaigns are presented along with the corresponding discharge curves. The measurements are interpreted as indicating: (i) initiation of rapidly rising jökulhlaups with a propagating subglacial pressure wave, (ii) decreased glacier basal friction during jökulhlaups, (iii) subglacial accumulation of water in slowly rising jökulhlaups and (iv) lifting of the glacier caused by subglacial water pressure exceeding overburden in both rapidly and slowly rising jökulhlaups. The latter two observations are inconsistent with assumptions typically made in theoretical and numerical modelling of jökulhlaups. Measurements of discharge and water temperature in the Skaftá river, and of the lowering of the ice shelf over the subglacial lake at the western Skaftá cauldron are, furthermore, available for a rapidly rising jökulhlaup in September 2006. Outflow from the lake, flood discharge at the glacier terminus and the transient subglacial volume of floodwater during the jökulhlaup are derived from these data. The 40 km long initial subglacial path of the jökulhlaup was mainly formed by lifting and deformation of the overlying ice, induced by water pressure in excess of the ice overburden pressure. Melting of ice due to the heat of the floodwater from the subglacial lake and frictional heat generated by the dissipation of potential energy in the flow played a smaller role. Therefore this event, like other rapidly rising jökulhlaups, cannot be explained by the jökulhlaup theory of Nye (1976). Instead, our observations indicate that they can be explained by a coupled subglacial-sheet–conduit mechanism where essentially all of the initial flood path is formed as a sheet by the propagation of a subglacial pressure wave. Both viscous and elastic deformation of the glacier as well as turbulent hydraulic fracture at the ice/bedrock interface are important in the dynamics of the subglacial pressure wave at the front of rapidly rising jökulhlaups.
 
Meginviðfangsefni þessarar ritgerðar eru rannsóknir á vatnskerfi jökla og áhrif þess á botnskrið, við bæði venjulegar aðstæður og aftakaaðstæður í jökulhlaupum. Vatn undir jöklum getur haft mikil áhrif á hreyfingu þeirra. Nýlegar rannsóknir á Grænlandsjökli og Suðurskautsjöklinum sýna að gerð vatnskerfisins og vatnsmagn við botn, og breytileiki í afrennsli vatns til botns, getur haft mikil áhrif á botnskrið. Hugsanlegar breytingar á þessum þáttum vegna loftslagsbreytinga á komandi áratugum gætu því mögulega valdið auknu skriði og aukinni kelfingu í sjó fram sem síðan gæti haft áhrif á sjávarborð heimshafanna. Aukið botnskrið getur einnig leitt til breytinga í lögun jöklanna sem síðan hefur áhrif á afkomu þeirra. Aukin skilningur á vatnskerfi við botn breiðra lítt hallandi skriðjökla og áhrifum þess á skrið þeirra er því mikilvægur fyrir spár um breytingar á jöklunum. Skriðjöklar íslensku hveljöklanna, t.d. Vatnajökuls og Hofsjökuls, eru að mörgu leyti svipaðir skriðjöklum Grænlandsjökuls nema hvað þeir íslensku eru þíðjöklar en þeir grænlensku eru gaddjöklar, auk þess sem íslensku jöklarnir eru í hlýrra og votara loftslagi. Núverandi aðstæður á íslensku jöklunum eru því hugsanlega hliðstæða við framtíðaraðstæður í hlýrra loftslagi á Grænlandi. Rannsóknir á vatnskerfum þeirra geta því nýst í alþjóðlegu samhengi. Þessu til viðbótar er góð þekking á vatnafari íslenskra jökla og framtíð þeirra æskileg því jökulár, upprunnar frá þeim, leggja til um u.þ.b. 65% af raforkuframleiðslu landsins. Breytingar á vatnafari í kringum jökla geta einnig haft mikil áhrif á ýmsa innviði, svo sem brýr, rafmagnslínur, ræktarland og fleira, líkt og fjölmörg dæmi úr sögu nábýlis Íslendinga við jökla sýna. Breytingar á farvegi Skeiðarár þar sem lengsta brú landsins liggur nú yfir litla sprænu er nærtækt dæmi. Jökulhlaup geta skapað hættu fyrir fólk, raforkuframleiðslu og ýmsa innviði. Góð þekking á ferlunum sem liggja þar að baki er því mikilvæg. Samspil íslenskra jökla og jökulhlaupa getur einnig nýst sem hálfgerð tilraunastofa til þess að kanna þau ferli sem ráða hreyfingu jökla þegar vatnskerfið undir jöklinum yfirfyllist. Þessi ritgerð byggist á mælingum á hreyfingu jökla og gögnum um rennsli jökulhlaupa og jökuláa. Því til viðbótar er notast við líkanreiknað afrennsli frá norðanverðum Hofsjökli og vestanverðum Vatnajökli vegna bráðnunar og úrkomu. Að auki eru notuð gögn frá jöklahópi Jarðvísindastofnunar Háskólans um orkubúskap á Tungnaárjökli og botnlandslag undir Skaftár- og Skeiðarárjökli. Einnig er notast við líkanreikninga á ísflæði í íshellu yfir lónum við jökulbotn sem tæmast í jökulhlaupum líkt og undir vestari Skaftárkatli, hitamælingar í lónunum undir eystri og vestari Skaftárkatli og hitamælingar á hlaupvatni í Skaftá. Hreyfing jöklanna er mæld samfellt með GPS tækjum á yfirborði jökulsins. Þrjú slík tæki voru rekin samtímis á mismunandi stöðum á leysingarsvæði Skaftárjökuls sumarið 2008, tvö sumarið 2013 og svo eitt tæki hátt á leysingasvæði Sátujökuls sumrin 2011, 2012 og 2013. Þessu til viðbótar er notast við GPS mælingar frá Skeiðarárjökli í tveimur jökulhlaupum frá Grímsvötnum árin 2004 og 2010 og á íshellu vestari Skaftárketilsins haustið 2006. Hreyfingar á yfirborði Skaftárjökuls voru mældar í tveimur jökulhlaupum sumarið 2008. Alls eru því GPS mælingar tiltækar fyrir fjögur jökulhlaup með hámarksrennsli á bilinu 240 til 3300m3 s-1. Auk þess mældist sig íshellunnar yfir vestari Skaftárkatlinum í litlu (hámarksrennsli um 100m3 s-1) jökulhlaupi haustið 2006. Öll þrjú hlaupin frá Skaftárkötlunum voru með hraðrísandi rennsli en Grímsvatnahlaupin eru hægrísandi. Til viðbótar við hlaupgögnin eru svo mælingar við venjulegar aðstæður á mismunandi stöðum frá fjórum sumrum. Mælingarnar og túlkun gagnanna frá jökulhlaupunum sýna: (i) hvernig þrýstibylgja gengur niður hlaupfarveginn undir jöklinum í hraðrísandi jökulhlaupum og myndar rými fyrir flóðvatnið með því að lyfta jöklinum, (ii) aukna hreyfingu jökulsins meðan á jökulhlaupum stendur vegna minnkaðs viðnáms við botn (iii) vatnssöfnun undir jöklinum í hægrísandi jökulhlaupum (iv) lyftingu jökulsins í bæði hæg- og hraðrísandi jökulhlaupum vegna vatnsþrýstings við botn sem er hærri en fargþrýstingur jökulsins. Seinustu tvær niðurstöðurnar stangast á við hefðbundnar kenningar um hægrísandi jökulhlaup. Mælingar á sigi íshellunnar í vestari Skaftárkatli í hlaupinu haustið 2006, ásamt ísflæðireikningum á lækkun íshellunnar, voru notaðar til þess að reikna útrennsli úr lóninu við jökulbotn í hlaupinu. Þær niðurstöður ásamt mælingum á hlauprennslinu utan jökuls og hitamælingum á hlaupvatninu í lóninu og í Skaftá, gera kleift að meta magn vatns undir jöklinum á hverjum tíma. Það er margfalt meira heldur en hægt er að búa til rými fyrir með bræðslu vegna upphafsvarma hlaupvatnsins í lóninu og varma sem myndast vegna viðnáms í farveginum undir jöklinum, líkt og gert er ráð fyrir í kenningum Nye (1976) um jökulhlaup. Skaftárhlaupið haustið 2006, líkt og önnur hraðrísandi jökulhlaup, er því ekki unnt að skýra með kenningu Nye. Mælingarnar benda til þess að hlaupfarvegurinn sé í upphafi að mestu myndaður við lyftingu og aflögun jökulsins vegna framgangs þrýstibylgju þar sem vatnsþrýstingur er hærri en fargþrýstingur. Mælingar á hreyfingu Sátujökuls og Skaftárjökuls fyrir tímabil milli hlaupa sýna aukna hreyfingu: (i) við upphaf sumarleysingar, (ii) samtímis skarpri aukningu í afrennsli vegna bráðnunar eða rigningar og (iii) þegar krapatjarnir á yfirborði jökulsins tæmast. Mælingarnar sýna einnig að jökulinn hægir stundum á sér niður fyrir dæmigerðan vetrarskriðhraða, rétt fyrir upphaf leysingar og í kjölfar aukins hraða í hámarki leysingartímabilsins. Ætla má með samtúlkun við afrennslisreikninga, að þessar hraðabreytingar séu tilkomnar vegna áhrifa vatns á viðnám við botn. Litlar breytingar í skriðhraða vegna toppa í afrennsli þegar líður á leysingartímabilið og dægursveifla í rennsli ánna sem falla frá jöklunum benda til að vatnsrásir þróist undir jöklunum yfir sumarið. Slíkt rásakerfi leiðir vatn með skilvirkari hætti að jökuljaðrinum heldur en samtengt kerfi lítilla holrýma og vatnsæða sem er ráðandi undir jöklinum að vetri til. Þessi þróun vatnskerfisins er í samræmi við kenningar sem áður hafa verið settar fram fyrir t.d. daljökla í Ölpunum. Grunnvatnsstreymi undir jöklum í gosbeltinu, þar sem jarðlög eru gropin, og jökulhlaup hafa lítil áhrif á þessa þróun vatnskerfa við jökulbotn.
 

Leyfi:

Dissertation submitted in partial fulfilment of a Philosophiae Doctor degree in Geophysics Copyright © Bergur Einarsson 2018 All rights reserved

Skrár

Þetta verk birtist í eftirfarandi safni/söfnum:


Fletta

Um vefinn

Reikningurinn minn