Table of Contents

Введение

Ледяные щиты представляют собой крупнейшие на Земле водоемы пресной воды, хранящие достаточное количество замерзшей воды для повышения уровня мирового океана более чем на 60 метров при полном таянии. Эти огромные тела ледникового льда, определяемые как ледяные массы на суше, покрывающие площади более 50 000 квадратных километров, не являются статическими особенностями ландшафта. Они представляют собой динамические системы, которые растут, текут и отступают в ответ на климатическое воздействие, и их поведение напрямую влияет на циркуляцию океана, альбедо и глобальные температурные модели. Понимание формирования и динамики ледяных щитов, следовательно, необходимо для интерпретации прошлых изменений климата и для прогнозирования будущих экологических сдвигов. В этом обзоре рассматриваются физические процессы, которые управляют генезисом ледяного щита, механизмы внутреннего потока и потери льда, а также внешние факторы, которые модулируют их продвижение и отступление.

Формирование ледяных щитов

Формирование ледяного покрова — медленный, непрерывный процесс, начинающийся с накопления снегопада в регионах, где зимой снег не полностью тает в течение лета.На протяжении десятилетий и столетий сменяющие друг друга слои снега накапливаются, а вес накладного материала сжимает нижние слои в плотный, гранулированный лед.Это превращение из свежего снега в сплошной ледник включает промежуточные стадии, в том числе пряжу, частично уплотненный снег, который все еще содержит взаимосвязанные воздушные проходы.

Ядро и переход от снега к льду

Образование ледяного покрова обычно начинается на плато высокого уровня или в полярных широтах, где температура остается ниже нуля большую часть года. По мере накопления снега кристаллы подвергаются метаморфизму. Свежие снежинки хрупкие и слабо упакованы, но с погребением они перекристаллизуются в округлые зерна. Воздушные пространства между зернами сокращаются по мере увеличения давления. На глубине примерно 60-100 метров давление становится достаточным, чтобы запечатать воздух в пузырьки, отмечая переход от пряжи к твердому льду. Этот процесс может занять от нескольких десятилетий в теплом, влажном климате до тысяч лет в чрезвычайно холодной, сухой среде.

Накопление и уравнение массового баланса

Чистый рост ледяного покрова регулируется его массовым балансом: разницей между накоплением (снегопад, мороз и снег, депонированный ветром) и абляцией (плавление, сублимация и отечность айсбергов). Для формирования и сохранения ледяного покрова накопление должно превышать абляцию в течение длительного периода, как правило, тысячи лет. Зона накопления - это область ледяного покрова, где происходит чистый прирост, в то время как зона абляции - это нижний предел подъема, где доминирует чистый убыток. Линия равновесия разделяет эти две зоны и сдвигается в ответ на изменения климата. Постоянный положительный баланс массы позволяет ледяному покрову утолщаться и расширяться, вытесняя поток наружу под собственным весом.

Роль топографии и климата

Топография играет важнейшую роль в зародыше ледяного покрова. Горные хребты и высокие плато обеспечивают холодные, возвышенные поверхности, где может накапливаться и сохраняться снег. Как только ледяной покров достигает достаточной толщины, он может протекать по более низкой местности, распространяясь наружу и закапывая лежащий в его основе ландшафт. Климатические условия должны оставаться постоянно холодными и влажными, чтобы предотвратить летнее таяние от удаления накопленного снега. Полярные и субполярные регионы, такие как Антарктида и Гренландия, обеспечивают необходимые условия для формирования ледяного покрова, в то время как умеренные широты не имеют устойчивого холода, необходимого для долгосрочного накопления.

Анатомия ледяного щита

Ледяной щит — не однородная плита льда; это структурированная система с отдельными зонами и особенностями, влияющими на его поведение. Внутреннее пространство доминирует зона накопления, где снегопад превышает таяние. Здесь ледяная поверхность относительно плоская и гладкая, перемежающаяся нежными волнами. Ледяной раздел отмечает самую высокую точку ледяного щита, из которой поток излучается наружу к краям. На полях часто встречаются ледяные потоки, быстротекущие коридоры льда, которые сбрасывают массу в океан или на шельфовые ледники.

Ледяные потоки и шельфовые ледники

Ледовые потоки — это области в пределах ледяного покрова, где лед течет значительно быстрее, чем окружающий лед, часто по порядкам величины. Они обычно лежат под мягким деформируемым осадком или хорошо смазанной породой, что уменьшает базальное трение. Ледовые потоки составляют большую часть массового сброса с современных ледяных покровов, особенно в Антарктиде. Там, где ледовые потоки достигают океана, они часто питают плавающие ледяные шельфы, которые представляют собой толстые платформы льда, которые простираются над водой. Ледовые шельфы укрепляют ледяной покров, замедляя поток внутреннего льда. Когда ледовые шельфы тоньше или разрушаются, удаление этого усиливающего эффекта может ускорить сброс льда и способствовать повышению уровня моря.

Подледниковая топография и гидрология

Лёд под ледяным щитом осуществляет сильный контроль над его динамикой. Подледниковые долины могут направлять ледовый поток, а подледниковые горы могут закреплять или отводить движение льда. Вода у основания ледяного щита, порожденная геотермальным теплом или трением от скольжения, может накапливаться в подледниковых озерах. Эти озера, например, находящиеся под Антарктическим ледяным щитом, могут периодически стекать и вызывать преходящие ускорения ледового потока. Наличие или отсутствие жидкой воды у ложа является основным фактором при определении того, движется ли ледяной щит в первую очередь внутренней деформацией или базальным скольжением.

Динамика ледяных щитов

Ледяные покровы находятся в постоянном движении. Гравитация гонит лед от высокого внутреннего пространства к нижним краям, а скорость движения зависит от температуры, толщины льда, наклона и базальных условий. Два первичных механизма управляют потоком льда: внутренняя деформация и базальное скольжение.

Внутренняя деформация

Лед представляет собой кристаллическое твердое вещество, которое ведет себя как вязкоупругий материал в течение длительных временных отрезков. Под весом накладывающегося льда отдельные льдины деформируются и скользят друг мимо друга, позволяя ледяной массе медленно проползать вниз, что позволяет ледяной массе медленно ползти вниз. Эта внутренняя деформация следует закону потока Глена, который связывает скорость деформации с напряжением, поднятым до мощности. В холодном, жестком льду вблизи поверхности деформация происходит медленно. В более теплом льду вблизи кровати, где температура приближается к точке плавления, деформация существенно увеличивается. Внутренняя деформация доминирует над потоком льда в ледяных щитах на холодной основе, где кровать заморожена до подложки.

Базальный скольжение

Там, где основание ледяного покрова достигает точки таяния давления, между льдом и цокольной породой образуется тонкая пленка жидкой воды. Эта вода уменьшает трение и позволяет льду скользить по ложу. Базальное скольжение гораздо эффективнее внутренней деформации для движущегося льда, и именно первичный механизм позволяет быстрое скольжение льда в ледовых потоках. Скорость базального скольжения зависит от давления воды у цокольного слоя, шероховатости цокольного слоя и наличия деформируемых отложений. Высокое давление воды может снизить трение почти до нуля, что приводит к внезапным ускорениям в ледовом потоке.

Режимы потока и геометрия ледяного щита

Поток ледяного покрова неоднороден. Внутренние потоки медленно, часто со скоростью несколько метров в год, а края, в частности ледовые потоки, могут перемещаться на сотни метров в год. Такое изменение скорости потока создает характерные поверхностные особенности, такие как трещины, полосы потока и волнистая топография. Геометрия ледяного покрова является прямым выражением его режима потока: толстые, куполообразные интерьеры указывают на медленную деформацию, в то время как более тонкие, мягко наклонные края отражают более быстрый поток и потерю массы. Изменения динамики потока могут изменять форму и протяженность ледяного покрова в течение временных рамок от лет до тысячелетий.

Рост и нестабильность

Некоторые ледяные щиты и ледяные шапки демонстрируют бурное поведение, когда периоды медленного течения прерываются короткими эпизодами быстрого продвижения. Подъём может быть вызван изменениями базальной гидрологии, деформацией осадка или тепловыми условиями. В то время как подъём чаще встречается в долинных ледниках, чем в больших ледяных щитах, он может происходить в ледовых потоках и может способствовать быстрым потерям массы. Понимание динамики всплесков важно для прогнозирования будущего поведения ледяного щита, особенно в условиях потепления климата, где меняются тепловые и гидрологические условия.

Факторы, влияющие на поведение ледяного покрова

Поведение ледяных щитов модулируется сложным взаимодействием климатических, геологических и океанографических факторов.Изменения любой из этих переменных могут изменять баланс массы и динамику потока ледяного щита, с последствиями для глобального уровня моря и климата.

температура

Температура является единственным наиболее важным фактором, контролирующим поведение ледяного покрова. Более теплые температуры воздуха увеличивают поверхностное таяние, особенно в зоне абляции, и могут смещать линию равновесия вверх, уменьшая площадь накопления. Теплые температуры океана увеличивают базальное таяние шельфовых ледников и ледников приливной воды, ослабляя эффект подкрепления и позволяя быстрее входить во внутренний ледовый поток. На Гренландском ледяном щите в последние десятилетия резко возросло поверхностное таяние, производя талые озера, которые могут стекать через трещины и смазывать дно, временно ускоряя ледяной поток. В Антарктиде теплые океанские течения привели к истончению шельфовых ледников в регионе Амундсенского моря, что привело к ускоренному сбросу из внутренних ледников.

Осадки и снегопады

Снегопад является основным входом в баланс массы ледяного покрова. В более теплом климате атмосфера может удерживать больше влаги, потенциально увеличивая снегопад над внутренними слоями ледяного покрова. Этот эффект наблюдался над частями Восточно-Антарктического ледяного покрова, где увеличение снегопадов частично компенсировало динамические потери массы от Западно-Антарктического ледяного покрова. Однако потепление, которое приводит к увеличению снегопадов, также приводит к увеличению таяния на полях, и чистое влияние на баланс массы зависит от относительных величин этих конкурирующих процессов. В Гренландии увеличение таяния намного опережает любое увеличение снегопадов, что приводит к чистой потере массы.

Бедрок топография и геология

Форма и состав породы под ледяным щитом влияют на структуру и стабильность потока. Твердая, кристаллическая порода обеспечивает высокое базальное трение, ограничивая базальное скольжение и благоприятствуя медленному, деформированному течению. Мягкие осадочные субстраты, такие как под Западно-Антарктическим ледяным щитом, могут легко деформироваться под весом льда, облегчая быстрый поток в ледяных потоках. Подледниковые долины могут направлять лед в узкие, быстротекущие выходы, в то время как подледниковые горы могут закреплять лед на месте. Топография также контролирует путь подледниковой воды, что в свою очередь влияет на базальный скольжение и транспорт осадка.

Океан принуждает

Условия океана оказывают мощное влияние на края ледяного покрова, особенно в Антарктиде и Гренландии. Теплая циркумполярная глубокая вода, которая прогрелась в последние десятилетия, вторгается на континентальный шельф и тает шельфовые ледники снизу. Это истончение уменьшает силу притяжения, которую ледники оказывают на внутренний лед, позволяя ледникам ускоряться и истончаться. Океанское таяние также влияет на линию заземления, точку, где заземленный лед переходит на плавающий шельфовый ледник. Если линия заземления отступает в глубокий бассейн, это может вызвать нестабильность морского ледяного покрова, где отступление становится самоподдерживающимся. Этот механизм вызывает особую озабоченность для ледников Туэйтса и Пайн-Айленда в Западной Антарктиде.

Изменение климата и антропогенное воздействие

Индуцированное человеком изменение климата приводит к быстрым изменениям в поведении ледяного покрова. Глобальное потепление подняло температуры воздуха и океана до беспрецедентных уровней в инструментальной записи, и реакция ледяных покровов ускоряется. Ледяной покров Гренландии потерял массу в среднем примерно 270 миллиардов тонн в год за последние два десятилетия, в то время как Антарктический ледяной покров потерял около 150 миллиардов тонн в год. Эти потери способствуют повышению уровня моря ускоренными темпами. МГЭИК прогнозирует, что при сценариях с высоким уровнем выбросов совокупный вклад обоих ледяных покровов может превысить один метр повышения уровня моря к 2100 году, с продолжающимся ростом на протяжении веков.

Роль ледяных щитов в климатической системе

Ледяные щиты не являются пассивными ответчиками на климат; они активно влияют на климатическую систему через механизмы обратной связи. Их высокое альбедо отражает большую долю поступающей солнечной радиации, охлаждая планету и уменьшая энергию, доступную для атмосферной циркуляции. По мере того, как ледяные щиты сжимаются, подвергаются воздействию более темные поверхности, такие как скалы или открытый океан, поглощая больше солнечной энергии и ускоряя региональное и глобальное потепление, процесс, известный как обратная связь альбедо. Ледяные щиты также влияют на циркуляцию океана, выпуская пресную воду в Северную Атлантику и Южный океан, что может изменить переворачивание циркуляции, управляемой плотностью, которая регулирует теплообмен по всему миру.

Регулирование уровня моря

Наиболее непосредственным и действенным способом воздействия ледяных щитов на человеческое общество является их вклад в уровень моря. Гренландский ледяной щит содержит достаточно воды, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 7,4 метра, а Антарктический ледяной щит примерно на 58 метров. Даже частичное таяние этих ледяных щитов будет иметь катастрофические последствия для прибрежных сообществ во всем мире. Скорость повышения уровня моря ускоряется, и наибольшая неопределенность в будущих прогнозах исходит от поведения ледяных щитов, особенно от потенциала нестабильности морских ледяных скал и других нелинейных процессов.

Современные ледяные щиты: Гренландия и Антарктида

Два существующих ледяных щита на Земле, Гренландия и Антарктида, сильно отличаются по характеру и поведению. Понимание их индивидуальных реакций на изменение климата имеет важное значение для прогнозирования будущего повышения уровня моря.

Ледяной щит Гренландии

Ледяной щит Гренландии покрывает примерно 1,7 млн кв. км и является вторым по величине телом льда на Земле. Для него характерен широкий внутренний купол, который поднимается до высот, превышающих 3000 м, с выходными ледниками, которые стекают через глубокие фьорды в окружающий океан. Ледяной щит Гренландии более чувствителен к атмосферному потеплению, чем Антарктида, поскольку его края простираются на относительно теплые широты, где широко распространено летнее таяние. Таяние поверхности является доминирующим механизмом потери массы, хотя отечность айсбергов от ледников, заканчивающихся морской фазой, также вносит значительный вклад. В последние десятилетия Гренландия пережила рекордные события таяния, в том числе событие 2012 года, когда таяние распространилось почти на всю поверхность ледяного щита. Скорость потери массы из Гренландии ускорилась с примерно 50 млрд тонн в год в 1990-х годах до более 250 млрд тонн в год в 2010-х годах.

Антарктический ледяной щит

Антарктический ледяной щит является крупнейшим на Земле, покрывая примерно 14 млн кв. км и содержащий около 30 млн куб. км льда. Он разделен на три отдельные подсистемы: Восточно-Антарктический ледяной щит, Западно-Антарктический ледяной щит и Антарктический полуостров. Восточно-Антарктический ледяной щит является крупнейшим и наиболее стабильным, покоясь в основном на высокой континентальной основе. Западно-Антарктический ледяной щит меньше, но более уязвим, поскольку большая часть его базы лежит ниже уровня моря, что делает его восприимчивым к морскому ледяному щиту. Антарктический полуостров пережил резкое потепление и обрушение ледникового шельфа, в том числе ледниковые шельфы Ларсена А и Ларсена Б в 1990-х и 2000-х годах. Общие потери массы из Антарктиды ускорились с примерно 40 млрд тонн в год в 1990-х годах до более 150 млрд тонн в год в 2010-х годах, причем большинство потерь приходится на Западную Антарктиду и полуостров.

Ледяной покров: ответ на изменение климата

Реакция ледяных щитов на продолжающееся изменение климата является предметом интенсивного научного исследования. Наблюдения со спутников, самолетов и полевых кампаний задокументировали широкое истончение, ускорение потока и отступление отходящих ледников как в Гренландии, так и в Антарктиде. Эти изменения согласуются с физическим пониманием динамики ледяного щита и наблюдаемым потеплением атмосферы и океана. Скорость изменения опережает многие более ранние прогнозы, вызывая опасения по поводу возможности быстрых, нелинейных ответов.

Морской ледяной покров Нестабильность

Нестабильность морского ледяного покрова — это процесс, который может привести к быстрому отступлению ледяных покровов, которые опираются на коренную породу, которая углубляется вглубь суши. По мере того, как линия заземления отступает в более глубокую воду, ледяной фронт становится выше, а поток ускоряется, опуская внутреннюю часть ледяного покрова. Этот процесс может быть самоподдерживающимся и может привести к краху целых секторов Западно-Антарктического ледяного щита в течение веков до тысячелетий. Наблюдения за ледниковой системой Туэйтса предполагают, что эта нестабильность уже может быть в стадии реализации. Потенциальный вклад нестабильности морского ледяного покрова является одной из самых больших неопределенностей в прогнозах уровня моря.

Морской ледяной утес Нестабильность

Еще более спекулятивным, но потенциально катастрофическим процессом является нестабильность морского ледяного утеса. Если плавучий шельф льда рухнет, он может обнажить высокий вертикальный ледяной утес на линии заземления. Если утес достаточно высок, напряжение на его основании может превысить силу выхода льда, в результате чего утес может неоднократно откалываться и быстро отступать внутрь. Этот процесс может привести к очень быстрой потере льда, хотя он еще не наблюдался в масштабе. Моделирование предполагает, что нестабильность морского ледяного утеса может способствовать повышению уровня моря на несколько метров в течение веков в сценариях с высоким уровнем выбросов.

Заключение

Ледяные щиты являются одними из самых динамичных и последовательных компонентов системы Земли. Их формирование посредством медленного накопления и уплотнения снега на протяжении тысячелетий отражает мощное влияние климата и топографии. Их движение через внутреннюю деформацию и базальное скольжение демонстрирует взаимодействие стресса, температуры и базальных условий. Их реакция на температуру, осадки, принуждение к океану и антропогенные изменения выявляет уязвимость этих массивных систем к потеплению мира. Поскольку ледяные щиты Гренландии и Антарктики продолжают терять массу с ускоряющимися темпами, потребность в улучшенных наблюдениях, моделировании и понимании никогда не была больше. Будущее ледяных щитов будет формировать будущее глобальных береговых линий, и решения, принятые сегодня, будут эхом для будущих поколений. Для дальнейшего чтения, обратитесь к Национальному центру данных о снеге и льде , порталу НАСА по изменению климата и Межправительственной группе экспертов по изменению климата (IPCC) для самых актуальных данных и прогнозов по динамике ледяного щита