Географическое расположение и размер

Антарктический и гренландский ледяные щиты — два крупнейших водоема пресноводного льда на планете, вместе держащие более 99% ледникового льда мира. Их чистый масштаб трудно осмыслить: антарктический ледяной щит покрывает примерно 14 млн кв. км, площадь больше, чем все США и Мексика вместе взятые. Он покрывает антарктический континент, центрированный асимметрично вокруг Южного полюса, со льдом, который простирается далеко за пределы континентальной суши в виде плавающих шельфовых ледников. Гренландский ледяной щит, будучи ещё огромным, примерно на порядок меньше, на около 1,7 млн кв. км, покрывает примерно 80% острова Гренландия, занимает Северное полушарие, простираясь от примерно 60 до 82° с.ш. и от 20°W до 80°W, с его южным концом, достигающим широт, сравнимых с Осло или Стокгольмом.

Эти два ледяных щита отличаются не только по размеру, но и по своему географическому контексту. Антарктида — континент, окруженный океаном, тогда как Гренландия — большой остров в Северной Атлантике с Северным Ледовитым океаном на севере и Лабрадорским морем на западе. Эта разница в географическом положении глубоко влияет на их соответствующий климат, взаимодействие с океаном и реакцию на глобальное потепление. Антарктический ледяной щит ограничен Южным океаном, где Антарктический циркумполярный поток создает тепловой барьер, который частично изолирует континент от более теплых вод. Гренландия, напротив, окружена более теплыми водами течения Ирмингера и Западного течения Гренландии, которые приносят относительно мягкую атлантическую воду вдоль своих побережий.

Критической особенностью географии Антарктиды является то, что приблизительно 75% ее коренной породы лежит ниже уровня моря, означая, что большая часть льда заземлена глубоко под поверхностью океана. Это подводное заземление делает ледяной щит особенно уязвимым для вторжений теплой океанской воды, которая может растопить лед снизу. Восточно-Антарктический ледяной щит в основном заземлен на высоком континентальном плато значительно выше уровня моря, в то время как Западно-Антарктический ледяной щит заземлен на ряде островов и затопленном континентальном шельфе. Гренландия, напротив, имеет центральный бассейн коренной породы, который в основном находится выше уровня моря, хотя его прибрежные окраины глубоко разрезаны фьордами, которые позволяют океанской воде достигать ледниковых фронтов непосредственно.

Топографические контрасты

Поверхностная топография двух ледяных щитов отражает их отчетливые геологические настройки.Ледяная поверхность Антарктиды достигает высот, превышающих 4000 метров над уровнем моря на Восточно-Антарктическом плато, с областями Купола Аргуса и Купола Фудзи среди самых высоких точек. Западно-Антарктический Ледяной щит имеет более низкую, более волнистую поверхность, с максимальными высотами около 2000 метров.Ледяной щит Гренландии достигает своей самой высокой точки в Кампе Саммита, примерно 3200 метров над уровнем моря, расположенном около центра острова.Ледяная поверхность в Гренландии характеризуется более мягкой, куполообразной формой с более крутыми краями, где выходные ледники стекают через горные хребты вдоль побережья.

Антарктический ледяной щит осушается относительно небольшим количеством очень больших отводных ледников и ледяных потоков, таких как ледник Пайн-Айленда и ледник Туэйтса в Западной Антарктиде. Эти быстротекущие особенности перемещают лед из интерьера на побережье со скоростью несколько сотен метров в год. Гренландия, напротив, имеет сотни отводных ледников, которые стекают через горную окраину, с несколькими основными системами, такими как ледник Якобсхавн Исбрае, ледник Хельхайма и ледник Кангердлугсуак, на которые приходится непропорционально большая доля сброса льда. Разница в плотности дренажа отражает более фрагментированную прибрежную топографию Гренландии и наличие окаймляющего горного хребта, который направляет ледовый поток в узкие коридоры.

Климат и температурные условия

Климат Антарктиды самый экстремальный на Земле. Внутреннее пространство Восточно-Антарктического ледяного щита обычно испытывает температуры ниже -60 ° C в течение зимы, с самой низкой когда-либо зарегистрированной температурой на планете, -89,2 ° C, измеренный на российской станции Восток в 1983 году. Внутреннее пространство - высотная полярная пустыня, получающая менее 50 миллиметров эквивалента снега в год. Доминирующей климатической особенностью является катабатическая система ветра: холодный, плотный поток воздуха вниз по склону от высокого интерьера к побережью, генерируя постоянные ветры, которые могут превышать 200 километров в час в некоторых местах. Эти ветры прочесывают поверхность, сублимируя снег и создавая пейзаж саструги - высеченные ветром хребты затвердевшего снега.

Климат Гренландии холодный, но существенно мягче, чем Антарктида. Зимние температуры во внутренней части ледяного щита Гренландии обычно колеблются от -30 ° C до -50 ° C, в то время как прибрежные районы испытывают зимние температуры между -10° C и -25 ° C. Летние температуры вдоль побережья могут подняться выше 10 ° C, с внутренними областями, иногда достигающими 0° C во время экстремальных событий таяния. Осадки выше, чем в Антарктиде, особенно вдоль юго-восточного побережья, где столкновение влажного Атлантического воздуха с запасом ледяного щита производит сильный снегопад, с темпами накопления, превышающими 1500 миллиметров водного эквивалента в год в некоторых областях. Внутренняя часть Гренландии все еще является полярной пустыней, но получает от двух до трех раз больше снегопадов, чем антарктический интерьер.

Различия в атмосферной циркуляции

Динамика атмосферы, управляющая климатом двух ледяных щитов, принципиально различна. Антарктида изолирована полярным вихрем, устойчивой системой низкого давления, которая циркулирует вокруг континента и захватывает холодный воздух над ледяным щитом. Южный кольцевой режим влияет на силу и положение западных ветров, окружающих Антарктиду, модулируя обмен теплом и влагой между континентом и средними широтами. Положительная фаза Южного кольцевого режима усиливает западни и стремится изолировать Антарктиду от более теплого воздуха, в то время как отрицательная фаза позволяет более меридиональный обмен воздушными массами.

На климат Гренландии сильно влияет Североатлантическое колебание, которое описывает разницу давления между Исландским Низким и Азорским Высоким. Положительное Североатлантическое колебание приносит более сильные западные ветры и более мягкие, более влажные зимы в северную Европу, но может производить более прохладные, более сухие условия над Гренландией. Отрицательная фаза часто приводит к большему количеству блокирующих моделей, которые могут принести теплый, влажный воздух над ледяным щитом с юга, способствуя экстремальным событиям таяния, таким как сезон таяния 2012 года, когда почти вся поверхность ледяного щита Гренландии испытала таяние впервые в спутниковой записи. Эти крупномасштабные атмосферные модели оказывают более прямое и непосредственное влияние на баланс массы Гренландии, чем сопоставимые модели для Антарктиды.

Динамика ледяного покрова и таяние

Процессы, приводящие к потере льда, значительно различаются между двумя ледяными щитами. Антарктический ледяной щит теряет массу в первую очередь за счет базального таяния шельфовых ледников теплыми океанскими водами и за счет отела айсбергов с фронтов шельфового льда. Поверхностное таяние ограничено прибрежными окраинами и Антарктическим полуостровом, при этом обширный внутренний слой остается значительно ниже замерзания круглый год. Основным механизмом потери льда в Антарктиде является океанический: теплая циркумполярная глубокая вода, которая имеет температуру на несколько градусов выше замерзания, вторгается на континентальный шельф и тает нижнюю часть плавучих шельфовых ледников, истончая их и уменьшая их укрепляющее воздействие на внутренние ледники.

Гренландия теряет массу как в результате поверхностного таяния, так и в результате откалывания айсбергов, причем в последние десятилетия поверхностное таяние становится все более доминирующим. В типичное лето зона таяния простирается от побережья до высот примерно 1500-2000 метров, покрывая до 50% поверхности ледяного покрова во время экстремальных явлений. Мелтвотер образует потоки, реки и озера на ледяной поверхности, некоторые из которых стекают через мулены - вертикальные валы во льду - к основанию ледяного покрова, где они могут смазывать интерфейс ледяного покрова и ускорять ледовый поток. Гренландский ледяной покров также сбрасывает лед через свои быстротекущие выпускные ледники, многие из которых ускорились в ответ на потепление океана и отступление их плавающих терминов.

Влияние шельфового ледника в Антарктиде

Ледовые шельфы Антарктиды играют важнейшую роль в регулировании ледового потока с континента. Ледниковый шельф Росса, шельфовый ледник Фильхнера-Ронне и многочисленные более мелкие шельфовые ледники плавают на океане, оставаясь при этом прикрепленными к заземленному ледяному щиту. Эти шельфовые шельфы выступают в качестве опор, сдерживая поток внутреннего льда. Когда ледовые шельфы тоньше или разрушаются, заземленные ледники за ними ускоряются, увеличивая скорость сброса льда в океан. Крах ледников Ларсена B в 2002 году продемонстрировал этот эффект драматически: ледники, питавшие ледниковый шельф, ускорились в два-шесть раз в годы после его распада. Западно-антарктические шельфовые ледники в настоящее время истончаются теплой океанской водой, причем сектор Амундсенского моря демонстрирует самые быстрые изменения.

Гренландия имеет относительно ограниченное развитие ледникового шельфа из-за его более теплого климата и геометрии его фьордов. Крупнейшим оставшимся ледником в Гренландии является 79° Северный ледник (Nioghalvfjerdsbrae), который все еще сохраняет существенный плавающий язык. Ледник Петермана на северо-западе Гренландии также имеет значительный ледяной шельф, хотя он испытал крупные события отела в 2010 и 2012 гг. Большинство ледников Гренландии заканчиваются плавающими ледяными языками, которые меньше и более преходящи, чем антарктические ледники, что отражает более высокую энергетическую среду Северной Атлантики. Отсутствие обширных ледниковых шельфов в Гренландии означает, что эффект усиления слабее, и скорости отводных ледников более непосредственно зависят от температуры океана на отела фронта.

Влияние на повышение уровня моря

Оба ледяных щита способствуют глобальному повышению уровня моря через чистую потерю массы, но их относительный вклад и темпы изменения отличаются. Гренландский ледяной щит был более крупным вкладом в повышение уровня моря за последние два десятилетия, добавив приблизительно 0,6 до 0,8 миллиметров в год к глобальному среднему уровню моря. Антарктический ледяной щит вносит приблизительно 0,4 до 0,5 миллиметров в год, хотя с высокой неопределенностью. В то время как вклад Гренландии ускоряется из-за увеличения таяния поверхности и сброса ледников, вклад Антарктиды был более переменным, с некоторыми регионами Восточной Антарктики, показывая незначительный прирост массы из-за увеличения снегопада, компенсируя некоторые потери от Западной Антарктиды и Антарктического полуострова.

Потенциал будущего повышения уровня моря от каждого ледяного покрова связан с его общим объемом льда. Антарктический ледяной покров содержит достаточно льда, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 58 метров, если полностью растаял. Потенциальный вклад ледяного покрова Гренландии составляет около 7,4 метра повышения уровня моря. Даже частичная потеря любого ледяного покрова будет иметь серьезные последствия для прибрежных сообществ во всем мире. Ледяной покров Гренландии считается более уязвимым, поскольку он уже испытывает широкое таяние поверхности и расположен в регионе, который быстро нагревается из-за усиления Арктики, где темпы потепления в два-три раза превышают среднемировой показатель.

Сроки и переломные моменты

Сроки реакции ледяного покрова на климатические воздействия существенно различаются. Реакция Гренландии относительно быстрая: таяние поверхности реагирует в течение нескольких лет на потепление атмосферы, а динамика выходных ледников реагирует в течение десятилетий на потепление океана. Считается, что ледяной покров Гренландии имеет переломный момент вокруг глобального повышения температуры на 1,5-2,0 ° C выше доиндустриального уровня, за пределами которого таяние поверхности превысит накопление снегопада, что приведет к коллапсу ледяного покрова на протяжении веков до тысячелетий. Учитывая текущие траектории потепления, этот порог может быть пересечен в течение ближайших десятилетий.

Реакция Антарктиды медленнее, но потенциально более последовательна. Западно-Антарктический ледяной щит считается особенно уязвимым, потому что большая часть его дна заземлена ниже уровня моря на ретроградном склоне - это означает, что дно углубляется внутри страны - делая его восприимчивым к нестабильности морского ледяного щита. Теплая океанская вода может подрезать шельфовые ледники и заставить заземляющую линию отступить внутрь страны, ускоряя процесс. Этот механизм уже активен в секторе моря Амундсена. Восточно-Антарктический ледяной щит содержит самый большой потенциальный вклад уровня моря, но в настоящее время считается более стабильным, хотя недавние исследования показывают, что части Восточной Антарктиды, особенно бассейн Уилкса и бассейн Авроры, также могут быть уязвимы для нестабильности морского ледяного щита, если потепление океана продолжается.

Геологические основы и топография Bedrock

Под каждым ледяным щитом есть своя геологическая история, которая влияет на динамику льда. Подножие Антарктиды — сложная мозаика древних кратонов, горных хребтов и осадочных бассейнов, многие из которых погребены под километрами льда. Горы Гамбурцева, диапазон размером с Европейские Альпы, полностью погребены под Восточно-Антарктическим ледяным щитом и были обнаружены только посредством ледопроникающих радиолокационных исследований. Эти горы выступают в качестве якоря для ледяного щита, прикрепляя ледяную поверхность и влияя на структуры ледового потока. Западно-Антарктическая рифтовая система, ряд активных вулканических разломов, лежит в основе Западно-Антарктического ледяного щита и может способствовать геотермальному нагреву на ледовой базе, потенциально усиливая базальное таяние и ледоток.

Гренландская порода также разнообразна, состоит из докембрийских щитовых пород наряду с более молодыми осадочными бассейнами в прибрежных районах. В отличие от Антарктиды, большая часть внутренней породы Гренландии фактически находится ниже уровня моря, образуя большой центральный бассейн, окруженный ободом гор вдоль побережья. Вес ледяного покрова вдавил поверхность породы, причем некоторые внутренние области лежат более чем на 200 метров ниже уровня моря. Эта топография влияет на поток льда: лед проходит через горные перевалы, чтобы достичь побережья в качестве выходных ледников. Взаимодействие между льдом и породой имеет решающее значение для понимания поведения ледяного покрова в прошлом и будущем, поскольку форма кровати контролирует стабильность ледяного покрова.

Подледниковая гидрология

Условия у основания ледяных щитов существенно различаются. В Антарктиде подо льдом обнаружены обширные подледниковые озера, крупнейшим из которых является озеро Восток, зарытое в 4 км под Восточно-Антарктическим ледяным щитом. Эти озера соединены сетью подледниковых водных путей, которые влияют на ледовый поток, смазывая лёд. Наличие жидкой воды у основания ледяного щита, поддерживаемое геотермальным теплом и давлением плавления, позволяет быстро течь ледовым потокам. Напротив, большая часть основания ледяного щита Гренландии заморожена до основания в интерьере, хотя талая вода от поверхностного плавления достигает льдины летом, создавая более динамичную и сезонно изменяющуюся подледниковую гидрологическую систему.

Различия в подледниковой гидрологии имеют важные последствия для динамики льда. Постоянные подледниковые озера и водные системы Антарктиды создают относительно стабильные, но быстротекущие ледяные потоки, которые оставались примерно в одних и тех же местах в течение тысяч лет. Подледниковая система Гренландии более преходящая, с сезонной изменчивостью давления воды, которая может вызвать временные ускорения или замедления ледового потока. Доставка поверхностных талых вод к дну ледяного покрова Гренландии через мулены создает прямую связь между атмосферными условиями и динамикой льда, которая не существует в Антарктиде, где поверхностное таяние незначительно на большей части континента.

Исторические эволюционные и палеоклиматические записи

Оба ледяных щита хранят подробные записи истории климата Земли. Глубокие ледяные керны из Антарктиды, такие как керны из Купола С, Восток и Купола Фудзи, предоставили непрерывные климатические записи, простирающиеся более чем на 800 000 лет. Эти записи показывают тесную связь между концентрациями углекислого газа в атмосфере и температурой Антарктики в течение ледниково-межледниковых циклов, подтверждая роль парниковых газов в регулировании глобального климата. Ледяное керн Восток лихо продемонстрировал эту связь, показав, что концентрации CO2 варьировались между приблизительно 180 и 280 частями на миллион за последние 400 000 лет, внимательно отслеживая колебания температуры Антарктики.

Ледяной щит Гренландии обеспечил климатические записи высокого разрешения за последние 120 000 лет, с проектами GRIP, GISP2 и NorthGRIP, восстанавливающими ледяные керны, которые сохраняют доказательства быстрых изменений климата в течение последнего ледникового периода. Эти керны выявили существование событий Dansgaard-Oeschger — эпизодов резкого потепления, которые произошли в течение десятилетий, с повышением температуры на 10 ° C или более в Гренландии. Эти быстрые колебания демонстрируют потенциал для резких изменений климата в Североатлантическом регионе, с последствиями для стабильности ледяного щита Гренландии. Гренландские и антарктические керны вместе предоставили фундаментальное понимание работы климатической системы, включая биполярную модель качелей, в которой потепление в одном полушарии связано с охлаждением в другом.

Предыдущая конфигурация ледяного покрова

Геологические данные показывают, что оба ледяных щита испытали существенные изменения в прошлом.В течение последнего ледникового максимума, приблизительно 20 000 лет назад, ледяной щит Гренландии расширился, чтобы покрыть весь остров и распространился на прилегающий континентальный шельф.С тех пор он отступил в своем нынешнем объеме, с периодами повторения во время Малого ледникового периода и последующего отступления за последнее столетие.Свидетельства с краев ледяного щита Гренландии, включая тримлины, морены и озерные отложения, показывают, что ледяной щит был меньше, чем его текущая протяженность во время теплового максимума голоцена, примерно 8 000 - 5000 лет назад, в некоторых секторах.

Антарктический ледяной щит был также более обширным в ледниковые периоды, с Западно-Антарктическим ледяным щитом, продвигающимся к краю континентального шельфа. Восточно-Антарктический ледяной щит был более стабильным в течение длительных временных шкал, хотя данные из морских отложений предполагают, что части ледяного щита значительно отступили в прошлые теплые периоды, включая плиоценовую эпоху приблизительно 3 миллиона лет назад, когда уровни атмосферного CO2 были похожи на те, что сегодня. Это геологическое свидетельство обеспечивает важные ограничения на чувствительность ледяных щитов к будущему потеплению, предполагая, что оба ледяных щита имеют потенциал потерять массу быстрее, чем наблюдалось в инструментальной записи.

Экологическое и биогеохимическое значение

Помимо своих физических характеристик, ледяные щиты поддерживают уникальные биологические сообщества и играют важную роль в глобальных биогеохимических циклах. Антарктический ледяной щит содержит разнообразную микробную экосистему в своих ледяных, снежных и подледниковых озерах, включая бактерии, археи и грибы, которые выживают при чрезвычайно низких температурах и концентрациях питательных веществ. Было обнаружено, что подледниковое озеро Вильанс содержит процветающее микробное сообщество, когда к нему был получен доступ в 2013 году, демонстрируя, что жизнь может сохраняться под километрами льда. Аналогично, ледяной щит Гренландии содержит микробную жизнь на своей поверхности в виде темных водорослей, которые снижают альбедо льда, ускоряя таяние, поглощая больше солнечной радиации.

Ледяные щиты также влияют на глобальный углеродный цикл, сохраняя органический углерод, который откладывался в течение миллионов лет. По мере таяния ледяных щитов этот древний углерод высвобождается в океан и атмосферу, потенциально создавая положительную обратную связь об изменении климата. Гренландский ледяной щит, по оценкам, содержит примерно 27 миллиардов тонн органического углерода, сопоставимого с количеством, хранящимся в торфяниках мира. Выброс этого углерода, наряду с такими питательными веществами, как железо, стимулирующими рост фитопланктона в прибрежных водах, представляет собой плохо изученный компонент системы Земли, который может иметь значительные биогеохимические воздействия по мере того, как продолжается потеря льда.

Будущие прогнозы и приоритеты исследований

Прогнозирование будущего поведения ледяных щитов Антарктики и Гренландии остается одной из самых больших проблем в науке о климате. Шестой оценочный доклад МГЭИК содержит прогнозы в различных сценариях выбросов, но неопределенности остаются большими, особенно для Антарктиды, где потенциал для быстрого потери льда через нестабильность морского ледяного щита не полностью захвачен текущими моделями. В сценарии с высокими выбросами Гренландия может внести до 20 сантиметров в повышение уровня моря к 2100 году, в то время как вклад Антарктиды может варьироваться от нескольких сантиметров до более 30 сантиметров в зависимости от поведения ледников Западной Антарктики.

Ключевые приоритеты исследований включают улучшение понимания взаимодействия океан-лед, в частности путей, по которым теплая вода достигает линий заземления ледников как в Антарктиде, так и в Гренландии. Спутниковые миссии, такие как ICESat-2 НАСА и CryoSat-2 ЕКА, произвели революцию в нашей способности измерять изменения высоты ледяного покрова, в то время как миссии GRACE и GRACE-FO обеспечили прямые измерения баланса массы ледяного покрова через гравитационные аномалии. Продолжение наблюдений имеет важное значение для ограничения моделей и понимания процессов, которые контролируют эволюцию ледяного покрова. Международное сотрудничество, включая межсравнительные упражнения по балансу массы ледяного покрова, объединяет группы моделирования для сравнения и проверки моделирования динамики ледяного покрова.

Для Гренландии эволюция таяния поверхности и его взаимодействие с динамикой льда является критической областью исследования. Степень и интенсивность таяния поверхности, по прогнозам, будут увеличиваться по мере продолжения потепления Арктики, с расширением региона таяния до более высоких высот. Потенциал положительных обратных связей между таянием, сокращением альбедо и атмосферной циркуляцией является предметом постоянных исследований. Для Антарктиды стабильность шельфовых ледников в нагревающемся океане является основной проблемой, а коллапс некоторых шельфовых ледников ожидается в ближайшие десятилетия, если продолжатся вторжения теплой воды. Разница в уязвимости между Восточной и Западной Антарктидой, вероятно, отражает топографию континентального шельфа и воздействие различных секторов на теплые глубокие воды, подчеркивая необходимость понимания на уровне процесса циркуляции океана вокруг континента.

Два ледяных щита, часто рассматриваемые вместе как главные ледяные резервуары планеты, на самом деле глубоко различаются по своей географии, климату, динамике и уязвимости к изменениям. Понимание этих различий имеет важное значение для прогнозирования будущего повышения уровня моря и разработки эффективных стратегий смягчения последствий и адаптации. В то время как ледяной щит Гренландии, вероятно, будет продолжать доминировать над вкладом уровня моря в ближайшие десятилетия, ледяной щит Антарктики остается более серьезной долгосрочной проблемой из-за его огромного потенциала для повышения уровня моря и неопределенности, окружающей его реакцию на продолжающееся потепление. Оба ледяных щита требуют постоянного научного внимания, поскольку человечество сталкивается с последствиями быстро меняющегося климата.