Оригинальное название: The Giants of the Cryosphere

Ледяные щиты являются доминирующей особенностью криосферы Земли, хранящей огромный объем пресной воды и оказывающей глубокое влияние на глобальный климат и уровень моря. Определяемые как масса ледникового сухопутного льда, простирающегося на 50 000 квадратных километров, сегодня существуют только два таких тела: Гренландский ледяной щит и Антарктический ледяной щит. Вместе они содержат примерно 99% пресноводного льда в мире. В одном только Антарктическом ледяном щите содержится достаточно замерзшей воды, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 58 метров, если бы он полностью растаял, в то время как Гренландский ледяной щит представляет собой примерно 7,4 метра эквивалентного повышения уровня моря. Огромный масштаб этих ледяных масс означает, что их формирование, эволюция и потенциальное снижение являются центральными для понимания системы Земли. Процесс, регулирующий их существование, представляет собой длительное, постепенное преобразование, начинающееся с одной снежинки и кульминацией в массе плавающего льда размером с континент, который меняет ландшафты и приводит к планетарным обратным связям.

Оригинальное название: Persistent Snow Accumulation

Формирование ледяного покрова не требует исключительно сильного холода; оно требует особого климатического баланса, где накопление снега постоянно превышает абляцию (потеря льда в результате таяния, сублимации или отела) на протяжении тысячелетий. Это условие в основном встречается в высокоширотных полярных регионах и на больших высотах. Процесс начинается со снегопада в зимний сезон. Однако для того, чтобы ледяной покров укоренился, летние температуры должны оставаться достаточно низкими, чтобы зимний снег не полностью таял. Этот остаток снега, сохраняющийся в течение летнего сезона таяния, знаменует собой основу зоны накопления .

Год за годом эти слои снега накапливаются друг на друге. Снежный покров накапливается относительно мягко на обширных, плоских недрах Гренландии и Антарктиды. В этих недрах скорость осадков удивительно низкая — сравнимая с пустыней — потому что холодный воздух содержит очень мало влаги. Снег, который действительно падает, часто мелкозернистый и ветровой, накапливается в относительно равномерном одеяле. Это постоянное, постепенное наслоение является сырьем, из которого построены ледяные щиты. Расположение равновесной линии (где накопление равно абляции) является критической границей; над этой линией ледяной покров набирает массу, а ниже нее ледяной покров теряет массу. Общее состояние здоровья и рост ледяного покрова диктуется положением этой линии в геологических временных масштабах. Внешние факторы, такие как изменение океанических течений, атмосферные циркуляции и изменения орбиты Земли диктуют долгосрочную жизнеспособность этого процесса накопления.

Фирнификация: Промежуточное государство

Свежеупавший снег легкий и пушистый, с плотностью часто от 50 до 100 кг/м3. Поскольку он погребен последующими снегопадами, он подвергается возрастающему давлению от веса выше. Это инициирует процесс метаморфизма, известный как волокнистость . Нежные, сложные кристаллические структуры новых снежинок термодинамически неустойчивы. Движимые градиентами в давлении пара, острые точки и ветви сублимируют и реконденсируются на более округлые кристаллические структуры, создавая более плотные, более сферические зерна. Этот переходный материал, который не является ни истинным снегом, ни твердым льдом, называется волокно .

Фирнификация прогрессирует в зависимости от перегрузочного давления и температуры. В верхних слоях снежного покрова доминирует деструктивный метаморфизм, разрушающий исходные кристаллические формы. Ниже верхних нескольких метров конструктивный метаморфизм берет верх, где зерна медленно растут в размерах и связываются вместе посредством спекания. Плотность неуклонно увеличивается с глубиной, перемещаясь от ~300 кг/м3 до около 830 кг/м3. Слой пряжи может быть удивительно толстым, простираясь от нескольких десятков метров в более теплых регионах до более 100 метров в чрезвычайно холодном интерьере Восточной Антарктиды. Проницаемость пряжи является критической характеристикой; она действует как открытая пористая сеть, позволяющая воздуху циркулировать в верхних слоях и талой воде просачиваться вниз. В регионах Гренландского ледяного щита, где поверхностное таяние становится все более распространенным, эта перколяционная вода может замораживаться, образуя твердые ледяные линзы и слои внутри пряжи, изменяя стратиграфию и термические

Оригинальное название: Trapping the Atmosphere in Glacial Ice

Переход от нитевидного льда к твёрдому ледниковому происходит на определённой глубине, где взаимосвязанные воздушные проходы между зерен пряжи разрушаются и откалываются под возрастающим гидростатическим давлением. Эта точка известна как пряжиноледяной переход или «закрытая» глубина. На этом критическом этапе пряжка достигает плотности примерно 830 кг/м3, и пористая сеть запечатывает отдельные карманы воздуха. Эти захваченные пузырьки воздуха окаменели в новообразованном ледниковом льду.

Этот процесс имеет чрезвычайно важное значение для палеоклиматологии. Воздух, заключенный в этих пузырьках, представляет собой нетронутый образец древней атмосферы в то время, когда образовался лед. Выявляя ледяные керны глубоко из ледяных щитов, ученые могут непосредственно измерять прошлые концентрации парниковых газов, таких как углекислый газ (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O), а также изотопный состав захваченного воздуха, который может раскрыть информацию о прошлых температурах и глобальном водном цикле. Ключевой проблемой при интерпретации этих записей является разница в возрасте газа и льда; воздух, захваченный в данном слое льда, всегда моложе, чем сам лед, потому что слой нитей остается открытым для атмосферы в течение нескольких веков, прежде чем пузырьки запечатывают. Тем не менее, архив ледяного керна, особенно из таких мест, как Купол С в Антарктиде, предоставил непрерывный, очень подробный отчет об атмосферном составе и изменчивости климата, простирающейся более 800 000 лет.

Динамика ледяного покрова: гравитация, поток и форма

После того, как достаточная толщина льда накопилась, он не остается неподвижным. Ледниковый лед ведет себя как неньютоновская вязкая жидкость в течение длительных временных рамок, деформируясь и текущая под своим собственным огромным весом в ответ на гравитацию. Поток ледяного щита регулируется законом потока Глен-Най , который описывает связь между напряжением и скоростью деформации в поликристаллическом льду. Поток направлен от толстой, высоко поднятой внутренней части к более тонким краям, в конечном итоге выгружая лед в океан.

Движущие силы: внутренняя деформация и базальное скольжение

Движение ледяного покрова достигается с помощью двух первичных механизмов: внутренней деформации (ползучести) и базального скольжения. Внутренняя деформация происходит, когда кристаллы льда внутри листа вывихиваются и перекристаллизуются в ответ на напряжение, налагаемое на него льдом. Этот процесс заставляет лед медленно ползти, немного похоже на очень толстую кучу блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной блинной

Ледяные потоки и выходные ледники

Ледяные щиты не текут равномерно. Большая часть льда осушается быстротекущими артериями, известными как ледовые потоки и ледниковые льды. Это узкие коридоры льда, которые могут двигаться со скоростью сотен метров в год, на порядки быстрее, чем окружающие льды. Точные механизмы, которые запускают и поддерживают ледяное течение, являются активной областью исследований, но они часто связаны с обширным базальным смазыванием и деформируемыми отложениями. В Антарктическом ледяном щите массивные ледяные потоки, подобные тем, которые питают шельфовый ледник Росса, доминируют над сбросом внутреннего льда. В Гренландии быстродвижущиеся льды-отводы, такие как Якобсхавн Исбре и Ледник Петерманн через глубокие фьорды

Роль шельфовых ледников

Там, где выходные ледники и ледяные потоки встречаются с океаном, они часто плавают, чтобы сформировать обширные ледяные шельфы. Эти плавучие платформы льда являются критическим компонентом стабильности ледяного покрова. Хотя они не способствуют непосредственно повышению уровня моря, когда они тают (поскольку они вытесняют свой собственный вес в воде), они действуют как мощная сила подкрепления. Они замедляют поток своих наземных фидерных ледников, создавая обратный стресс, эффективно удерживая ледяной покров на месте. Истончение или коллапс ледникового шельфа уменьшает этот эффект подкрепления, позволяя льду вверх по течению резко ускоряться и выбрасывать больше льда в океан, тем самым косвенно внося вклад в повышение уровня моря. Драматические коллапсы ледников Ларсена А и В на Антарктическом полуострове обеспечивают суровые тематические исследования этого процесса. Морской Западно-Антарктический ледяной покров (WAIS) особенно уязвим для этого механизма, потому что большая часть его дна лежит глубоко под уровнем моря, делая его восприимчивым

Уравнение массового баланса: накопление против абляции

Эволюция ледяного покрова с течением времени определяется его балансом поверхностной массы, который представляет собой чистую разницу между массой, полученной путем накопления, и массой, потерянной в результате абляции. Накопление происходит в основном через снегопад. Абляция, потеря массы, происходит через несколько процессов: поверхностного плавления и стока , айсбергового откалывания на полях и сублимации льда непосредственно в водяной пар.

В холодном интерьере абляция низкая, и ледяной покров набирает массу с течением времени. Возле полей, особенно в Гренландии летом, происходит обширное поверхностное таяние. Мельтвотер может течь по поверхности, погружаясь в расщелины и мулены, в конечном итоге достигая дна и потенциально влияя на скорость потока льда. Айсбергское отеление является доминирующим механизмом потери массы для многих ледников. Физика отела сложна, контролируется полями напряжения на передней части ледника, температурами океана и геометрией конечного конца. Дисбаланс этого уравнения приводит непосредственно к изменениям объема и протяженности ледяного покрова. GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) и ICESat-2 (спутник восстановления гравитации и климата) предоставил точные измерения, показывающие, что и Гренландия, и Антарктида в

Профили современных гигантов

Хотя ледяные щиты Гренландии и Антарктики часто группируются вместе, они являются геологически и климатологически различными системами, каждая из которых имеет свои уникальные уязвимости и вклад в глобальную систему.

Ледяной щит Гренландии

Ледяной щит Гренландии покрывает примерно 1,7 миллиона квадратных километров и достигает толщины более 3 километров. На его эволюцию сильно влияет окружающая его география; он ограничен арктическими атмосферными условиями и сильно влияет на более теплые атлантические воды. Таяние поверхности является основной особенностью ледяного щита Гренландии, и в последние десятилетия площадь, испытывающая таяние, резко расширилась, достигнув даже высоких высот во время исключительных тепловых событий. Этот таяние усугубляется петлей обратной связи альбедо: по мере таяния снега и льда они обнажают более темный голый лед или скалу, которая поглощает больше солнечного излучения, ускоряя дальнейшее таяние. Наличие потемнеющих агентов, включая сажу (черный углерод) от лесных пожаров и биологического роста (ледяные водоросли), еще больше снизило отражательную способность ледяного щита. Основным механизмом потери массы в Гренландии является сочетание повышенного поверхностного стока и ускорения ледников приливной воды.

Антарктический ледяной щит

Антарктический ледяной щит является крупнейшим телом льда на Земле, покрывающим почти 14 миллионов квадратных километров. Он разделен на два отдельных сектора: Восточный антарктический ледяной щит (EAIS) и Западный антарктический ледяной щит (WAIS) , разделенный Трансантарктическими горами. , разделенный Трансантарктическим ледяным щитом. EAIS является высоко поднятым ледяным щитом на холодном основании, заземленным в основном над уровнем моря. Он считается относительно стабильным, хотя он удерживает подавляющее большинство массы льда и теряет некоторую массу с его краев. WAIS является ледяным щитом на морском дне , что означает, что его дно значительно ниже уровня моря, а его края плавают в океане в качестве обширных шельфовых ледников. Ледник Туэйтса, часто называемый

Палеоклиматические прокси: чтение архива ледяного ядра

Ледяные листы являются не только статическими особенностями ландшафта; они являются активными архивами климатической истории Земли. Глубокие ледяные керны, такие как те, что находятся на участке EPICA Dome C в Антарктиде и GRIP/GISP2 в Гренландии, обеспечивают беспрецедентные записи прошлого климата. Сам лед хранит информацию через соотношение стабильных изотопов воды (δ18O и δD), которое является прокси для температуры, при которой снег первоначально падал. Пойманные пузырьки воздуха обеспечивают прямые измерения концентрации парниковых газов в атмосфере.

Эти записи показывают тесную связь между температурой и парниковыми газами за последние 800 000 лет ледниково-межледниковых циклов. Они показывают удивительно тесную корреляцию между уровнями CO2 и глобальной температурой, обеспечивая убедительные доказательства центральной роли парниковых газов в изменении климата. Период эмийского межледникового периода, около 125 000 лет назад, представляет особый интерес в качестве аналога для более теплого будущего. Данные ледяного ядра из Гренландии предполагают, что во время эмийского ледяного щита было значительно меньше, чем сегодня, что предполагает высокую чувствительность ледяного щита к относительно скромным уровням потепления. Изучая эти палеоархивы, ученые получают долгосрочную перспективу поведения ледяного щита, которая необходима для обоснования прогнозов их будущей эволюции в мире потепления.

Современные траектории и эволюция будущего

Эволюция ледяных щитов в 21 веке и за его пределами представляет собой одну из самых больших неопределенностей и наиболее значительных рисков, связанных с изменением климата. Текущие данные наблюдений со спутников, самолетов и полевых исследований ясно указывают на то, что и Гренландский, и Антарктический ледяные щиты теряют массу с ускоряющейся скоростью. Основными драйверами являются потепление атмосферных температур над Гренландией и потепление океанских вод, тающих антарктические шельфовые ледники снизу. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) последовательно пересматривала в сторону повышения свои прогнозы по повышению уровня моря, в основном из-за признания потенциала для быстрых динамических изменений ледяных щитов.

Будущая эволюция этих ледяных масс будет зависеть от траектории глобальных выбросов парниковых газов. При сценариях с низким уровнем выбросов скорость потери массы, как ожидается, будет продолжаться такими же темпами, как сегодня, в ближайшие десятилетия. При сценариях с высоким уровнем выбросов вероятность запуска неустойчивого, быстрого отступления в секторах WAIS и частях Гренландии существенно возрастает. Понятие «переломной точки» часто применяется к ледяным щитам; как только определенный порог потепления пересекается, отступление линии заземления через ретроградный склон слоя (глубокий внутренний) может стать самоподдерживающимся, что приведет к обязательству повышения уровня моря на несколько метров в течение веков, независимо от будущих выбросов. Долгосрочное обязательство является суровым: даже если температура стабилизируется, ледяные щиты будут продолжать реагировать в течение тысячелетий. Изучение их формирования и эволюции, таким образом, является не просто научным упражнением в понимании прошлого, но жизненно важным инструментом для ограничения диапазона возможных будущих. Лица, принимающие решения, и прибрежные сообщества во всем мире будут зависеть от уточненных прогнозов поведения ледяного щита для руководства адаптацией и планированием.