Table of Contents

Патагонские ледяные поля: критический индикатор изменения климата

Патагония, разделяемая Чили и Аргентиной, содержит некоторые из самых обширных и динамичных ледяных масс в Южном полушарии за пределами Антарктиды. Северное Патагонное ледяное поле (NPI) и Южное Патагонное ледяное поле (SPI) вместе с ледяной шапкой Кордильеры Дарвин образуют область, которая теряет лед со скоростью, которая конкурирует с большими секторами Гренландии и Антарктиды. Мониторинг отступления ледников в этом регионе имеет важное значение для понимания глобального повышения уровня моря и воздействия изменения климата на высокоширотные среды. Спутниковые снимки обеспечивают единственный последовательный и всеобъемлющий метод наблюдения этих отдаленных, суровых ландшафтов, позволяющий ученым отслеживать изменения в объеме льда, его динамике и динамике потока с течением времени.

Ледники региона особенно чувствительны к климатическим сдвигам. Сильные западные ветры, пересекающие Анды, создают крутые градиенты осадков, делая западную сторону ледовых полей морской (высокое накопление и высокий таяние) и восточную сторону намного более сухой. Эта сложная обстановка означает, что патагонские ледники быстро реагируют на изменения температуры атмосферы, структуры осадков и условия океана. Используя десятилетия спутниковых наблюдений, исследователи смогли построить подробное повествование о потере льда, которое служит в качестве колокольчика для глобальной климатической динамики.

Спутниковые платформы и датчики для мониторинга ледников

Надежный набор спутниковых миссий является основой для современного мониторинга ледников. Эти платформы предоставляют различные типы данных - оптические, тепловые, радарные и лазерные альтиметрии - которые, в сочетании, дают полную картину здоровья ледников.

Landsat: самый длинный непрерывный рекорд

Программа NASA/USGS Landsat собирает изображения Земли с 1972 года. Этот архив является наиболее важным ресурсом для отслеживания изменений площади ледника в течение длительных временных отрезков. Термическая инфракрасная полоса Landsat (Band 6) особенно полезна для различения снега, льда и облаков, в то время как ее коротковолновые инфракрасные полосы используются в методах соотношения полос для точной карты границ ледника. 30-метровое пространственное разрешение хорошо подходит для больших розеточных ледников Патагонии. Исследователи используют весь архив Landsat для построения подробных хронологий изменений положения конечностей для ледников, таких как Хорхе Монтт, Упсала и О'Хиггинс.

Sentinel-2: Оптический мониторинг высокого разрешения

Программа Коперника Европейской комиссии, в частности спутники Sentinel-2, обеспечивает съемку с более высоким пространственным разрешением (10 метров) с временем повторного посещения в пять дней. Это более высокое разрешение позволяет ученым обнаруживать изменения в небольших ледниках и ледяных фартуках, которые трудно урегулировать с помощью Landsat. Спектральные полосы Sentinel-2 также оптимизированы для картирования растительности и снега, что делает его мощным инструментом для анализа реакции ледниковых полей и расширения проледниковых озер.

ICESat-2 и CryoSat-2: измерение изменения высоты в трех измерениях

В то время как оптические изображения могут отображать горизонтальную протяженность ледников, отслеживание изменений толщины льда требует альтиметрии. ICESat-2 НАСА использует лазерный высотомер с подсчетом фотонов для измерения высоты поверхности с беспрецедентной точностью. Эти данные позволяют ученым вычислить точный объем льда, потерянного на целых ледовых полях. Аналогично, CryoSat-2 ESA использует радиолокационную альтиметрию для мониторинга изменений толщины льда, хотя его площадь больше. Эти миссии подтвердили широко распространенное истончение по ледяным полям Патагонии, причем некоторые ледники истончаются на несколько метров в год.

Радар с синтетической апертурой (SAR): видя сквозь облака

Патагония печально известна устойчивым облачным покровом, который может закрывать оптические спутники на недели или месяцы. Сенсоры SAR, такие как датчики на Sentinel-1 ЕКА, могут проникать в облака и работать в полной темноте. Эта возможность жизненно важна для мониторинга быстро движущихся ледников и обнаружения событий отела в течение года. Данные SAR также используются для интерферометрического SAR (InSAR), метода, который измеряет тонкие изменения скорости поверхности льда с высокой точностью. Это помогает ученым моделировать динамику потока ледяных потоков и оценивать их стабильность.

Основные аналитические методы количественной оценки потери льда

Для перевода необработанных спутниковых данных в научные данные требуются надежные аналитические методологии, которые стандартизируются и проверяются для обеспечения точности в различных датчиках и периодах времени.

Картографирование ледниковой терминии и изменения площади

Наиболее простой метрик изменения ледника — это флуктуация его конца (конца ледника). Аналитики вручную оцифровывают или используют автоматизированное программное обеспечение для отображения фронта ледника на изображениях разных лет. Нормализованный индекс разности снега (NDSI) является ключевым инструментом для автоматизации этого процесса. NDSI использует разницу между яркой видимой полосой (высокая отражательная способность для снега) и коротковолновой инфракрасной полосой (низкая отражательная способность для снега) для создания бинарной карты снега / льда по сравнению с голой землей. Сравнение этих карт за десятилетия показывает скорость отступления или продвижения. Консенсус от данных Landsat заключается в том, что более 90% ледников в Патагонии находятся в значительном отступлении.

Геофизический весовой баланс

Геодезический метод — наиболее точный способ вычисления полной потери массы ледового поля. Он предполагает вычитание двух цифровых моделей возвышения (DEM), которые были собраны в разное время. Разница в возвышении, умноженная на площадь, даёт изменение объёма. Если учитывать плотность льда, то это изменение объёма преобразуется в массовое изменение. Ученые используют DEM, полученные из снимков ASTER, SPOT и WorldView, а также из Шаттловой радиолокационной топографической миссии (SRTM, полученной в 2000 году). Исследования с помощью этого метода показали, что патагонские ледовые поля теряют массу с ускоряющейся скоростью, способствуя больше повышению уровня моря сейчас, чем в предыдущие десятилетия.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Geoscience, этот метод был использован для демонстрации того, что только SPI терял лед со скоростью более 20 гигатонн в год в период с 2000 по 2019 год. Этот показатель очень чувствителен к климатическим воздействиям, особенно к положению и силе южных западных ветров.

Скорость и динамика льда

Измерение того, как быстро движутся ледники, имеет важное значение для прогнозирования их будущего поведения. Алгоритмы отслеживания характеристик сравнивают два спутниковых изображения, сделанные в разное время (например, с интервалом в несколько дней или недель) и вычисляют смещение узнаваемых поверхностных признаков (например, трещин). Это особенно важно для ледников приливной воды, которые впадают в океан. Их скорость контролирует скорость отела айсберга, который является основным компонентом потери льда. Данные SAR особенно сильны здесь, поскольку они могут обеспечить измерения скорости даже во время долгой облачной патагонской зимы. Быстротекущие ледники, такие как Хорхе Монтт, наблюдались для ускорения, что приводит к быстрому отступлению и потере льда.

Количественное отступление: история ускорения потери льда

Спутниковая запись обеспечивает однозначную временную шкалу изменения в Патагонии.Самым значительным открытием является ускорение потери льда за последние 50 лет.

Обсуждение Terminus Retreat

Практически все крупные отводные ледники Патагонии значительно отступили с конца Малого ледникового периода в середине XIX века. Скорость отступления резко возросла с 1980-х гг. Например, ледник Упсала, на восточной стороне ИПЦ, в некоторых районах истончился более чем на 100 метров и отступил на несколько километров. Ледник О'Хиггинс также пережил драматическое отступление в 1990-х гг. Характер ясен: самые длинные и быстрые отступления происходят в приливных водах и ледниках саранчи, что свидетельствует о сильном океаническом и озерном влиянии.

Уникальный случай Перито Морено

Не все ледники Патагонии отступают. Ледник Перито Морено является заметным исключением. Расположенный в национальном парке Лос-Гласиарес в Аргентине, Перито Морено в течение прошлого века оставался в состоянии относительного равновесия. Он периодически продвигается, затуманивая рука озера Аргентино, а затем разрывается в эффектном проявлении ледовой динамики. Его стабильность, вероятно, обусловлена его уникальной ледовой динамикой и тем, что его конечная точка заземлена, защищена от теплых вод, которые подрезают другие ледники. Это подчеркивает сложную, нелинейную реакцию различных ледниковых систем на одни и те же климатические силы. Понимание того, почему одни ледники стабильны, а другие разрушаются, является ключевым исследовательским вопросом.

Ускорение массовых потерь и вклад на уровне моря

Совокупная потеря льда от NPI, SPI и Cordillera Darwin является измеримым фактором глобального повышения уровня моря. Текущие оценки предполагают, что весь регион вносит вклад от 0,04 до 0,05 мм в год в повышение уровня моря. Хотя это может показаться небольшим, это значительное количество от относительно небольшой массы льда. Скорость потерь ускорилась в 2-3 раза с 1990-х годов, что обусловлено главным образом повышением атмосферных температур и потеплением океанских вод, которые тают затопленные части ледникового ледника. Это ускорение соответствует глобальным тенденциям, усиливая то, что Патагония является чувствительным барометром изменения климата.

Для детальной визуальной временной шкалы этих изменений, Обсерватория Земли НАСА предоставляет отличные тематические исследования конкретных ледников, таких как Упсала и Хорхе Монтт.

Экологические и социальные последствия

Быстрое преобразование криосферы Патагонии оказывает каскадное воздействие на экологию, гидрологию и население региона.

Сокращение запасов пресной воды и гидроэлектроэнергии

Многие реки Патагонии, особенно на восточной стороне Анд, питаются ледниковыми талыми водами. По мере того, как ледники тоньше и отступают, они сначала производят всплеск талых вод. Однако по мере того, как ледяная масса продолжает уменьшаться, общий стоок уменьшается. Эта концепция «пиковой воды» имеет серьезные последствия для общин и инфраструктуры нисходящего потока. Чили и Аргентина полагаются на реки для гидроэлектростанций и сельского хозяйства. Снижение устойчивых ледниковых талых вод может привести к нехватке воды в течение сухого лета и сокращению мощности по производству электроэнергии. Потеря ледникового буфера против засухи вызывает растущую обеспокоенность у водохозяйственных менеджеров в регионе.

Ледниковое озеро: Вспышки наводнений

По мере отступления ледников они часто оставляют после себя большие, нестабильные озера, захваченные плотинами морен. Эти проледниковые озера быстро расширяются. Плоды по своей природе слабы и могут катастрофически потерпеть неудачу, вызывая наводнение в результате взрыва ледникового озера (GLOF). В Патагонии произошло несколько разрушительных ГЛОФ, таких как наводнение 2008 года в Лагуна-де-лос-Темпанос (Кашет 2) в Чили, которое вызвало широкомасштабный ущерб. Число и размер этих озер увеличиваются, повышая риск для городов, инфраструктуры и туристических операций. Мониторинг эволюции озера со спутниками имеет важное значение для систем раннего предупреждения и оценки риска.

Изменения в локальных экосистемах и динамике фьордов

Отступление ледников изменяет физические и химические свойства прибрежных фьордов. Приток холодных, загруженных осадками пресных вод изменяет соленость, температуру и проникновение света. Это влияет на морские экосистемы, от цветения планктона до популяций рыб. Отступление льда также обнажает новые поверхности суши, которые колонизируются пионерскими видами растений. Эти первичные последовательности создают новые места обитания, но также представляют собой фундаментальный сдвиг в ландшафте. Отливные шлейфы от отступающих ледников, хорошо заметные на спутниковых снимках, являются мощным показателем того, как потеря наземного льда непосредственно влияет на морскую среду.

Вклад в повышение уровня моря

В глобальном масштабе лед, хранящийся в Патагонии, представляет собой значительный резервуар потенциального повышения уровня моря. Если бы все патагонские ледяные поля должны были растаять, они подняли бы глобальный уровень моря примерно на 1,2 метра. Текущий темп потерь, хотя и скромный по сравнению с Гренландией или Антарктидой, непропорционально велик для площади вовлеченного льда. Это делает Патагонию одним из наиболее эффективных факторов повышения уровня моря на квадратный километр льда. Ускорение этой потери является предупреждающим сигналом для потенциального поведения других ледниковых регионов в мире потепления.

Для углубленного обзора региональных воздействий, GlacierHub часто охватывает исследования и воздействия на сообщества, связанные с отступлением патагонского ледника.

Непрекращающиеся вызовы и будущее мониторинга

Несмотря на огромное количество данных со спутников, в мониторинге патагонских ледников остаются значительные проблемы.

Повсеместное облачное покрытие и пробелы в данных

Непрерывный облачный покров Патагонии остается единственным самым большим препятствием для оптического дистанционного зондирования. В то время как SAR может проникать в облака, его сложнее анализировать и он имеет более короткий исторический рекорд. Это означает, что долгосрочный анализ изменений ледников в значительной степени зависит от нескольких доступных ежегодно безоблачных изображений Landsat, которые могут вводить искажения, если выбранные изображения не представляют типичных условий. Разработка более продвинутых алгоритмов проникновения в облако и интеграция данных с несколькими датчиками является активной областью исследований.

Разрешение и доступность

Хотя данные 10-30 метров отлично подходят для больших ледников, они менее эффективны для сотен более мелких ледников и крутых висящих ледников, которые также распространены в Андах. Эти меньшие ледники часто покрыты мусором, что делает их чрезвычайно трудными для точной картографии с использованием автоматизированных алгоритмов. Коммерческие изображения с высоким разрешением (например, WorldView, Planet) лучше подходят для этой задачи, но часто дорого приобрести для больших площадей. Будущее мониторинга зависит от балансировки глобального покрытия с высоким местным разрешением, необходимым для захвата всего спектра поведения ледников.

Необходимость проверки in-Situ

Спутниковые данные являются мощными, но требуют наземных измерений для проверки. Погодные станции, измерения баланса массы, собранные полевыми учеными, и исследования батиметрии озера необходимы для калибровки и улучшения спутниковых моделей. Финансирование и поддержание этих полевых программ в суровой патагонской среде является логистически сложным и дорогостоящим. Наиболее надежные исследования - это те, которые успешно интегрируют данные на месте с обширным пространственным охватом, предоставляемым спутниками.

Будущие миссии

Будущие спутниковые миссии обещают еще больше революционизировать наше понимание. Миссия НАСА и ISRO NISAR (L- и S-диапазон SAR) обеспечит всеобъемлющий глобальный мониторинг ледяного покрова и изменения ледников, включая деформацию поверхности и скорость. Альтиметрические миссии Европейского космического агентства следующего поколения продолжат критический рекорд высоты. Эти долгожданные миссии предоставят данные, необходимые для уточнения моделей и прогноза будущих потерь льда с большей уверенностью.

Заключение

Спутниковые снимки коренным образом изменили наше понимание патагонской криосферы. Доказательства, собранные за последние пять десятилетий дистанционного зондирования, однозначны: ледники региона отступают и истончаются с ускоряющейся скоростью. Эта потеря льда является прямым ответом на изменение климата и оказывает ощутимое влияние на глобальный уровень моря, местные водные ресурсы и динамику экосистем. Продолжая использовать мощь спутниковых технологий - от основополагающего архива Landsat до передовых возможностей ICESat-2 и Sentinel-1 - ученые строят долгосрочный наблюдательный рекорд, необходимый для противостояния вызовам потепления мира. Судьба этих величественных ледяных полей является важной частью более широкой головоломки глобального изменения климата, и спутники обеспечивают самое четкое окно, которое у нас есть в их будущем.