Критическая связь между ледяными щитами и глобальным уровнем моря

Климатическая система Земли неразрывно связана с массивными ледяными щитами, которые покрывают Антарктиду и Гренландию. Эти замороженные водоемы содержат достаточно пресной воды, чтобы поднять глобальный уровень моря более чем на 60 метров, если полностью растаять. Хотя такой полный коллапс не является неизбежным, даже частичное таяние имеет глубокие последствия для прибрежных сообществ, экосистем и глобальной экономики. Понимание того, как ледяные щиты регулируют уровень моря, требует изучения их физических свойств, процессов, которые приводят к потере льда, и механизмов обратной связи, которые могут ускорить или замедлить эти изменения. Недавние спутниковые наблюдения и полевые исследования показали, что и Гренландия и Антарктические ледяные щиты теряют массу с ускоряющейся скоростью, способствуя непосредственно примерно 3,5 миллиметров в год глобального среднего повышения уровня моря, наблюдаемого за последние два десятилетия. Эта статья расширяется на первоначальное обсуждение, чтобы обеспечить более глубокий, более технический взгляд на динамику ледяного щита, их ответ на климатические воздействия и то, что будущее может держать.

Анатомия ледяного покрова: больше, чем просто замерзшая вода

Ледяные щиты — это наземные ледники, которые покрывают более 50 000 квадратных километров. Они образуются в течение тысяч лет, когда снег накапливается, сжимается и превращается в лед. Двумя оставшимися ледяными щитами на Земле сегодня являются Антарктический ледяной щит, который содержит около 26,5 млн кубических километров льда, и Гренландский ледяной щит, содержащий около 2,9 млн кубических километров. Они отличаются от морского льда, который плавает в океане и не влияет на уровень моря при его таянии, так же как кубик льда в напитке не поднимает уровень жидкости при его таянии.

Льды имеют слоистую структуру. Внутреннее пространство холодное и относительно стабильное, а края более динамичные и уязвимые к изменениям. Ключевые компоненты включают:

  • Ледяные шельфы — плавучие расширения ледяного покрова, которые окаймляют большую часть Антарктиды и части Гренландии. Они действуют как опорные пункты, замедляя поток внутреннего льда к океану.
  • Выпускные ледники — быстротекущие реки льда, которые сливают внутреннюю часть, часто заканчиваясь в океане.
  • Граница — граница, где ледяной покров теряет контакт с коренной породой и начинает плавать. Его положение имеет решающее значение для стабильности.
  • Подледниковая гидрология — талая вода у основания ледяного покрова может смазать ложе, ускоряя ледоток.

Толщина ледяных щитов резко варьируется, от более чем 4000 метров в центральной Антарктиде до всего нескольких сотен метров вблизи краев. Этот огромный вес угнетает основную основу, процесс, известный как изостатическая депрессия, которая может влиять на геометрию ледяного щита в течение тысячелетий.

Процессы, приводящие к потере льда и повышению уровня моря

Ледяные щиты теряют массу с помощью трех основных механизмов: поверхностного плавления и стока, отела айсберга и базального плавления, вызванного теплыми океанскими водами. Каждый процесс по-разному реагирует на изменение климата, и их относительная важность варьируется в зависимости от региона.

Плавление поверхности и сток

Более теплые температуры воздуха увеличивают поверхностное таяние, особенно в Гренландии, где летние температуры часто превышают замерзание на больших площадях. Мельтвотер может просачиваться через снежный покров и замерзать, или он может убегать в океан напрямую. В Антарктиде поверхностное таяние менее распространено, потому что температуры остаются значительно ниже замерзания на большей части континента, но это наблюдалось на Антарктическом полуострове и все чаще на шельфе льда Росса. Модели проекта, что поверхностное таяние станет более крупным вкладчиком, поскольку планета нагревается.

Айсберг Калвинг

Каление происходит, когда большие куски льда отрываются от передней части ледника или шельфового ледника. Этот процесс эпизодичен и может производить айсберги размером с города. Например, в 2017 году шельфовый ледник Ларсен С в Антарктиде откалывал айсберг размером примерно с Делавэр (5800 квадратных километров). В то время как отечность является естественным процессом, потепление может ускорить его за счет истончения шельфовых ледников и создания трещин, которые ослабляют лед.

Океанское базальное таяние

Возможно, наиболее тревожным механизмом является таяние шельфовых ледников снизу относительно теплыми океанскими водами. Циркумполярные глубокие воды (CDW) в Антарктиде и Атлантические воды в Гренландии толкают в полости шельфового льда, размывая лед снизу. Это истончение уменьшает эффект подпорки, позволяя внутреннему льду течь быстрее в океан. Исследования, опубликованные в Наука (например, Rignot et al., 2019) показывают, что базальное таяние составляет примерно половину всех потерь массы льда из Антарктиды. Ледник Туэйтса в Западной Антарктиде, часто называемый «ледником Судного дня», особенно уязвим, потому что его линия заземления опирается на обратно наклонный слой, что означает, что по мере его отступления больше льда подвергается воздействию теплой воды, потенциально вызывая безудержный коллапс.

Региональные горячие точки: Гренландия и Антарктида

Два ледяных щита ведут себя совершенно по-разному из-за их географии и климатических условий.Гренландия более восприимчива к потеплению атмосферы, в то время как Антарктида более чувствительна к потеплению океана.

Гренландия: доминирует поверхностное таяние

Ледяной покров Гренландии теряет массу в основном за счет поверхностного стока талой воды. В последние десятилетия сезон таяния удлинился, а площадь таяния расширилась до более высоких высот. Событие таяния 2012 года, когда почти вся поверхность ледяного покрова испытала таяние, было резким показателем изменений. Совсем недавно экстремальные события таяния произошли в 2019 и 2021 годах. Гренландия также теряет лед через отечность от своих многочисленных выходных ледников, таких как Якобсхавн Исбрае, который является одним из самых быстротечных ледников в мире. Общая потеря массы из Гренландии в период с 1992 по 2020 год составила около 4850 миллиардов тонн (Гт), что достаточно для повышения глобального уровня моря почти на 14 миллиметров (IMBIE Team, 2020).

Антарктида: океанические изменения

Антарктида теряет массу в основном из Западно-Антарктического ледяного щита (WAIS), где ледовые потоки ускоряются из-за истончения шельфовых ледников теплым CDW. Восточно-Антарктический ледниковый щит (EAIS), намного больше и холоднее, был относительно стабильным, но недавние исследования показывают, что некоторые сектора, такие как ледник Тоттен, также испытывают истончение. Общая потеря массы Антарктиды с 1992 по 2020 год составляла около 2670 Гт, добавив примерно 7,6 мм к уровню моря (Shepherd et al., 2018). Однако неопределенность остается высокой, потому что накопление снега над внутренним пространством может частично компенсировать потери. Ключевой проблемой является то, что части WAIS, возможно, прошли переломный момент, где необратимый коллапс происходит независимо от будущих выбросов. Исследования во главе с Британской антарктической службой определили, что ледник Пайн-Айленд и ледник Туэйтса находятся в фазе быстрого отступления, которое может добавить несколько метров к уровню моря на протяжении веков.

Петли обратной связи, которые усиливают или ослабляют потерю льда

Поведение ледяного покрова регулируется сложными циклами обратной связи, которые могут ускорить изменения (положительные обратные связи) или стабилизировать систему (отрицательные обратные связи).

  • Обратная связь альбедо: По мере таяния снега и льда, более темные поверхности (голый лед, скала или открытая вода) подвергаются воздействию, поглощая больше солнечного излучения и вызывая большее таяние.
  • Нестабильность морского ледяного покрова (MISI) : Когда линия заземления ледника находится на обратном склоне (глубоко внутри страны), отступление может стать самоподдерживающимся, потому что более глубокая вода приводит к более быстрому сбросу льда.
  • Нестабильность морского ледяного утеса (MICI): Если ледяные утесы станут достаточно высокими (более 100 метров), напряжение на поверхности утеса может привести к их обрушению, обнажая более высокие утесы позади. Этот механизм может привести к очень быстрой потере льда, хотя его вероятность обсуждается.
  • Изостатический отскок: По мере разрежения льда, коренная порода поднимается (изостатический отскок), что может замедлить отступление, подняв линию заземления на более мелкую топографию. Это отрицательная обратная связь, которая действует на протяжении веков до тысячелетий.
  • Увеличение снегопада: Более теплая атмосфера удерживает больше влаги, что может увеличить снегопад над внутренними слоями ледяного покрова. Это может частично компенсировать потерю массы, но исследования показывают, что увеличение накопления не идет в ногу с увеличением разряда.

Например, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) отметила, что включение процессов MICI может повысить прогнозы повышения уровня моря еще на 0,5-1 метр к 2100 году.

Аналоги климата прошлого: что нам говорят ледяные щиты

Чтобы предсказать будущее поведение ледяного покрова, ученые смотрят на прошлые теплые периоды. Палеоклиматические записи из ледяных кернов и морских отложений показывают, что во время последнего межледникового периода (около 125 000 лет назад) глобальные температуры были на 1-2 ° C теплее, чем доиндустриальные, а уровень моря был на 6-9 метров выше. Большая часть этой дополнительной воды, вероятно, пришла из Гренландии и Западно-Антарктического ледяного покрова. Во время среднего плиоцена (около 3 миллионов лет назад) уровни CO2 были похожи на сегодняшний день (~ 400 ppm), а уровень моря был, возможно, на 15-25 метров выше, что подразумевает значительную потерю льда как из Гренландии, так и из Восточной Антарктиды. Эти древние аналоги обеспечивают отрезвляющий контекст: текущие ледяные покровы способны к гораздо большим изменениям, чем то, что наблюдалось в короткой инструментальной записи.

Более поздние наблюдения со спутников, таких как ICESat-2 НАСА и CryoSat-2 ЕКА, предоставляют данные высокого разрешения об изменениях высоты ледяного покрова. Миссия GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) и ее последующие измерения изменений массы с беспрецедентной точностью. С 2002 года данные GRACE показали, что оба ледяных покрова теряют массу с ускоряющейся скоростью, причем скорость потерь из Гренландии увеличивается с примерно 100 Гт в год в начале 2000-х годов до более 250 Гт в год в 2010-х годах.

Последствия для уровня моря и общества

Связь между ледяными щитами и уровнем моря прямая и последовательная. Даже небольшие изменения в объеме льда приводят к большим изменениям в среднем глобальном уровне моря из-за огромного количества хранимой воды. В настоящее время ледяные щиты способствуют примерно одной трети наблюдаемого повышения уровня моря, а тепловое расширение потепления океанской воды и горных ледников способствует остальным. По мере ускорения потери массы ледяного щита ожидается, что их вклад будет доминировать к середине века.

Повышение уровня моря в регионе неоднородно. Гравитационное притяжение ледяных щитов означает, что при таянии ледяного покрова уровень моря фактически падает вблизи источника (потому что изменяется гравитационное поле) и повышается больше в дальнем поле. Например, таяние Гренландского ледяного щита вызывает больший подъем уровня моря в Южной Америке и Индийском океане, чем в Северной Америке. Эта картина, известная как «отпечатки пальцев уровня моря», означает, что некоторые регионы более уязвимы, чем другие.

Прибрежные воздействия и адаптация

Повышение уровня моря усугубляет эрозию побережья, увеличивает частоту неприятных наводнений и усиливает штормовые нагоны. В США Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) прогнозирует, что уровень моря вдоль Восточного побережья может подняться на 0,6-2 метра к 2100 году при сценариях с высокими выбросами. Крупные города, такие как Майами, Нью-Йорк и Шанхай, сталкиваются с миллиардами долларов ущерба от инфраструктуры. Низколежащие островные государства, такие как Мальдивы и Тувалу, рискуют стать непригодными для жизни. Меры адаптации включают строительство морских стен, восстановление мангровых зарослей и водно-болотных угодий, возведение зданий и планирование управляемого отступления.

Экономические издержки ошеломляют. Исследование 2019 года, опубликованное в журнале Nature Communications, подсчитало, что без адаптации ежегодные потери от наводнений могут достичь 2,8% мирового ВВП к 2100 году при сценарии повышения уровня моря. Даже при адаптации затраты будут значительными, особенно в развивающихся странах с ограниченными ресурсами.

Мониторинг и моделирование: научная граница

Понимание будущего ледяного покрова требует сочетания наблюдений, теории и моделирования. Спутники наблюдения Земли обеспечивают непрерывный мониторинг возвышения ледяного покрова, скорости и изменения гравитации. Взлетно-десантные кампании, такие как операция НАСА IceBridge, собрали критические данные о топографии коек и толщине льда в отдаленных районах. Полевые лагеря на льду, такие как на леднике Гренландии и вблизи ледника Туэйтс, измеряют скорость накопления, температуру льда и подледниковые условия.

Цифровые модели, имитирующие динамику ледяного покрова, постоянно совершенствуются. Эти модели варьируются от более простых моделей протоков до полноразмерных моделей более высокого порядка, которые разрешают поток льда, транспорт теплоты и взаимодействие с циркуляцией океана. Основная проблема заключается в том, что модели должны имитировать процессы, происходящие в огромных пространственных масштабах (от километров до тысяч километров) и временных масштабах (от дней до столетий). Проект межсравнительных координат модели ледового покрова (ISMIP6) выполняется для лучшего сдерживания проекций для МГЭИК. Результаты показывают, что при сценарии с высокими выбросами (RCP8.5) ледяной покров Гренландии может способствовать 10-18 см к уровню моря к 2100 году, в то время как Антарктида может добавить 10-25 см, с длинным хвостом неопределенности из-за потенциального обрушения ледяного утеса.

Сокращение неопределенности: приоритеты исследований

Ключевые научные вопросы остаются. Как быстро отойдут ледники Туэйтса и Пайн-Айленда? Может ли нестабильность ледяного утеса на самом деле происходить в природе, или она ограничена другими факторами? Как изменится транспортировка тепла океана в условиях потепления климата? Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи развертывают автономные подводные аппараты (AUV) под шельфовыми ледниками для измерения температуры воды и течений, бурение через лед к линии заземления и использование передовых радаров для картирования подледниковой топографии. Международное сотрудничество, такое как Международное сотрудничество ледников Туэйтса, объединяет ресурсы для решения этих вопросов.

Кроме того, необходимо улучшить представление субледниковой гидрологии и динамики отела в моделях. Для спутниковых снимков применяются методы машинного обучения для автоматического обнаружения отела и повреждения шельфового ледника, предоставляя новые данные для проверки модели.

Путь вперед: смягчение и адаптация

Хотя некоторое повышение уровня моря уже связано с прошлыми выбросами, величина и темпы будущего подъема в значительной степени зависят от траекторий выбросов. Парижское соглашение, направленное на ограничение потепления до 1,5 °C, может снизить вклад Гренландии примерно на 40% по сравнению с миром 3 °C, согласно исследованию Европейского союза геонаук 2021 года. Однако даже при агрессивном смягчении некоторые потери антарктического льда могут быть необратимыми на протяжении веков.

Для прибрежных общин адаптация не является факультативной. Это означает инвестиции в инфраструктуру, пересмотр строительных норм и интеграцию прогнозов уровня моря в городское планирование. Восстановление мангровых зарослей и живые береговые линии предлагают естественную защиту, которая также поддерживает биоразнообразие. В долгосрочной перспективе могут потребоваться более экстремальные меры, такие как строительство массивных морских ворот (как в Нидерландах или предложено для Нью-Йоркской гавани).

Ледяные щиты не являются пассивными наблюдателями в климатической системе; они активно формируют глобальную окружающую среду. Продолжение исследований и международное сотрудничество будут иметь важное значение для понимания их поведения и подготовки к будущему с более высокими морями.

Заключение

Роль ледяных щитов в регулировании уровня моря является одновременно фундаментальной и тревожной. Эти замороженные гиганты медленно, но мощно реагируют на изменения температуры и условий океана. По мере того, как человеческая деятельность продолжает нагревать планету, потеря массы ледяного покрова ускорится, что приведет к повышению уровня моря, что изменит береговые линии и повлияет на миллиарды людей. Наука ясна: сокращение выбросов парниковых газов может ограничить ущерб, но адаптация уже необходима, чтобы справиться с происходящими изменениями. Путем тщательного мониторинга ледяных щитов, улучшения моделей и принятия решительных климатических действий человечество может справиться с этой проблемой с большей устойчивостью.