Table of Contents

Гренландский ледяной щит (ГРИС) — самая большая ледяная масса в Северном полушарии, охватывающая примерно 1,7 млн кв. км и хранящая достаточно пресной воды для повышения уровня мирового моря примерно на 7,4 м. Его формирование, движение и продолжающаяся трансформация представляют собой одну из важнейших областей климатологии. Будущее этого замороженного бегемота, вмещающего около 2,9 млн куб. км льда, напрямую связано с траекторией глобальных выбросов парниковых газов. Понимание глубокой истории его формирования, физики его течения и динамики его нынешнего таяния имеет важное значение для подготовки к повышению уровня моря и предстоящим климатическим сбоям.

Глубокая история льда

Ледяной щит Гренландии появился не за одну ночь. Его истоки лежат в сложном взаимодействии тектонического подъема, смещения океанских течений и долгосрочного снижения содержания углекислого газа в атмосфере в течение миллионов лет.

Геологические основания и триггеры

В позднем плиоцене, примерно 3 миллиона лет назад, тектонические силы подняли окраины Гренландии, в то время как центральный регион утих, создав чашеобразную топографию, которая могла бы улавливать накапливающийся снег. В то же время закрытие Центральноамериканского морского пути реорганизовало глобальную циркуляцию океана, а уровни CO2 в атмосфере упали ниже ключевых порогов. Эти условия позволили льду сохраняться круглый год в Гренландии впервые. К 2,7 миллиона лет назад началось серьезное оледенение континентального масштаба.

Накопление и рекорд ледяного ядра

Нынешний ледяной щит в значительной степени является продуктом последних 110 000 лет, что соответствует последнему ледниковому периоду. Стойкий холод позволил снегу накапливаться быстрее, чем он таял. По мере того, как скапливались последовательные слои, вес сжимал нижний снег в волокно, а затем в плотный ледниковый лед. Этот процесс задерживал древние воздушные пузыри, сохраняя прямой образец прошлой атмосферы Земли. Такие проекты, как Гренландский ледяной проект (GRIP) и Северное Гренландское льдокопание (NEEM), пробурили всю 3-километровую толщину ледяного щита, обеспечивая запись климата с высоким разрешением, простирающуюся более чем на 120 000 лет. Эти ядра показывают быстрые климатические колебания событий Дансгаард-Оехгер, где температуры в Гренландии подскочили на 10-15 ° C всего за несколько десятилетий в течение последнего ледникового периода.

Колебания через эмийский и плейстоцен

Ледяной щит никогда не был статическим. Во время эмийского межледникового периода (130,000-115000 лет назад) температура в Гренландии была на 5-8 ° C теплее, чем сегодня. Записи осадков из-под ледяного щита, полученные при бурении в Camp Century и GISP2, показывают, что лед резко отступил, а тундровые экосистемы заменили лед в частях южных и западных окраин. Это способствовало примерно от 2 до 4 метров глобальному уровню моря в течение этого периода. Эмиан служит мощным аналогом для будущего, предлагая представление о том, как может выглядеть более теплая Гренландия.

Механика движения: от внутренних пространств до океана

Движение ледяного покрова, известное как ледоток, является основным механизмом, с помощью которого лёд, накопленный в недрах, транспортируется на окраины и сбрасывается в океан, этот поток приводится в движение гравитацией и контролируется температурой, давлением и наличием воды у основания льда.

Внутренняя деформация: ползучий под давлением

Лед — это поликристаллическое твердое тело, которое деформируется под напряжением. Глубоко внутри ледяного покрова огромное избыточное давление заставляет отдельные кристаллы льда скользить, скользить и переориентироваться. Этот процесс, называемый ползучестью или внутренней деформацией, является доминирующим способом движения в холодном, высокогорном интерьере. Скорость деформации очень чувствительна к температуре; более теплый лед деформируется гораздо легче, чем холодный лед. Даже не скользя у основания, ледяной покров постоянно течет наружу от высокого интерьера к побережью.

Базальный скольжение: смазанная база

Там, где лед самый толстый и геотермальный тепловой поток из недр Земли высокий, основание ледяного покрова может достигать точки плавления под давлением. Это создает тонкую пленку талой воды на границе ледяной породы. Эта вода действует как смазка, позволяя льду скользить по подстилающей породе и осадку. Наличие мягкого, насыщенного водой дождевого слоя может еще больше усилить скольжение. Подледниковая гидрологическая система сложна и динамична: она может организовываться в эффективные канализированные сети, которые быстро сливают воду или становятся под давлением, что приводит к более быстрому скольжению. Этот процесс часто называют базальным скольжением.

Ледники-аутлеты: быстротекущие артерии

Ледяной щит не сбрасывает лед равномерно по его краям. Вместо этого он стекает через сеть быстротекущих отходящих ледников, которые действуют как артерии. Эти ледники текут через глубокие фьорды и могут двигаться со скоростью несколько километров в год. Якобшавн Исбре в западной Гренландии является одним из самых быстрых ледников на Земле, сливая примерно 7% всего ледяного щита. Его скорость удвоилась в начале 2000-х годов после того, как его плавающий ледяной язык распался. На поведение этих отводящих ледников сильно влияют температуры океана. Теплая океанская вода подрывает плавучий термини, процесс, называемый подводным плавлением, который разжижает лед, уменьшает подкрепление и позволяет заземленному льду позади него ускоряться. Другие крупные выходы, такие как Гельхайм и Кангерлуссуак, демонстрируют аналогичную динамику.

Технологии отслеживания движения льда

Современная наука предоставила мощные инструменты для наблюдения за движением ледяного покрова. Спутниковый интерферометрический радар синтетической апертуры (InSAR) позволяет ученым с замечательной точностью отображать скорость льда по всему ледяному покрову. Спутниковые миссии GRACE и GRACE-Follow On измеряют изменения в гравитационном поле Земли, эффективно позволяя ученым взвешивать ледяной покров из космоса и напрямую количественно оценивать потерю массы. Станции GPS, развернутые на скальных породах вокруг краев ледяного покрова, измеряют эластичный отскок земли по мере уменьшения ледовой нагрузки, предоставляя данные о наземной правде для спутниковых наблюдений.

Динамика поверхностного плавления и обратная связь с альбедо

Здоровье ледяного покрова измеряется его балансом массы поверхности: разницей между накоплением снега и абляцией (плавлением и отеком). В последние десятилетия баланс решительно склонился к чистым потерям. Летний сезон таяния теперь длится дольше и охватывает большую площадь, чем это было всего несколько десятилетий назад.

Сверхледниковая гидрология

В летний сезон таяния на поверхности ледяного покрова возникает обширная гидрологическая система. Тысячи сапфирово-голубых надледниковых озер образуются по всей зоне абляции. Когда эти озера дренируют, они могут разломать ледяной покров посредством процесса, называемого гидроразрывом. Вода погружается прямо к основанию через мулоны, вертикальные каналы во льду. Этот быстрый впрыск талой воды в подледниковую дренажную систему может временно повысить давление базальной воды, заставляя лед скользить быстрее. В долгосрочной перспективе, однако, дренажная система может стать более эффективной, потенциально снижая ускорение. Чистый эффект поверхностных талых вод на годовую скорость ледового потока остается сложной и высокоактивной областью исследований.

Темнение Гренландии

Мощная петля положительной обратной связи ускоряет таяние по ледяному щиту. Свежий, нетронутый снег очень отражающий, отскакивая 80-90% поступающей солнечной радиации обратно в космос. По мере таяния снега он подвергается воздействию ледникового льда, который значительно темнее и поглощает больше солнечной энергии. Это уменьшает альбедо поверхности, нагревая лед и вызывая дальнейшее таяние. Потемнение усиливается накоплением светопоглощающих примесей, включая черный углерод от лесных пожаров и сжигания ископаемого топлива, ветровой пыли и цветения пигментированных ледниковых водорослей. Этот самоусиливающийся цикл означает, что небольшое количество первоначального таяния может вызвать каскад дальнейшего таяния на больших площадях.

Глобальные последствия: уровень моря, океанские течения и погода

Изменения, происходящие на Гренландском ледяном щите, имеют последствия, которые выходят далеко за пределы Арктики.

7.4-метровый вопрос

Ледяной щит Гренландии в настоящее время является крупнейшим источником наземного льда, способствующим повышению уровня моря. В период с 1992 по 2020 год он потерял более 3,8 трлн тонн льда. Скорость потерь резко ускорилась. В 1990-х годах ледяной щит терял примерно 40 млрд тонн в год. В 2010-х годах этот показатель увеличился до более чем 250 млрд тонн в год. В настоящее время этот вклад составляет примерно 0,7 миллиметра повышения уровня моря в год во всем мире. В то время как полный 7,4 метра эквивалента уровня моря, заблокированного в ледяном щите, потребуется от столетий до тысячелетий, чтобы понять, процесс повышения уровня моря уже начался.

Изменение Атлантического меридионального круговорота

Массивный приток свежей холодной талой воды из Гренландии освежает поверхность Северного Атлантического океана. Это имеет решающее значение, поскольку Атлантическая меридиональная циркуляция (AMOC), основная система океанического течения, включающая Гольфстрим, обусловлена погружением плотной, холодной, соленой воды в Северной Атлантике. Пресная вода менее плотная, чем соленая вода, что затрудняет погружение поверхностных вод и, следовательно, ослабляет циркуляцию. Растущий объем данных свидетельствует о том, что AMOC находится на самом слабом уровне за более чем тысячелетие. Продолжающееся замедление может иметь серьезные последствия, включая охлаждение Североатлантического региона, ускоренное повышение уровня моря вдоль восточного побережья США, сдвиги в тропических муссонных системах и нарушения морских экосистем.

Влияние средне-высотных погодных моделей

Быстрое потепление Арктики, явление, известное как арктическое усиление, снижает температурный градиент между полюсом и средними широтами. Этот градиент является основным драйвером полярного струйного потока. Более слабый температурный градиент может привести к более медленному струйному потоку. Это может привести к постоянным погодным условиям, приводящим к длительным тепловым волнам, засухам или наводнениям в северном полушарии в средних широтах. В то время как связь является сложной и активной областью исследований, изменение поведения струйного потока представляет собой еще один потенциальный путь, через который трансформация Гренландии влияет на глобальную климатическую систему.

Прогнозирование будущего: переломные моменты и траектории

Прогнозирование будущего ледяного щита Гренландии является центральной проблемой в моделировании климата. Ледяной щит содержит процессы, которые могут привести к быстрым, необратимым изменениям, что делает точные прогнозы необходимыми для планирования адаптации и политики смягчения последствий.

Морской ледяной покров Нестабильность

Многие из основных ледников Гренландии заземлены на руслах, которые наклоняются внутрь страны, ретроградная конфигурация склона. Это создает потенциал для нестабильности морского ледяного щита (MISI). Если плавучий ледяной язык на передней части ледника ослаблен или удален потеплением океана, линия заземления (точка, где лед идет на плаву) отступает внутрь страны. Поскольку наклоны кровати вниз во внутреннюю часть страны, лед на новой линии заземления толще, что приводит к большему сбросу льда в океан. Это вызывает дальнейшее отступление. Эта положительная обратная связь может привести к самоподдерживающемуся и необратимому коллапсу целых секторов ледяного щита. Северо-восточный ледяной поток Гренландии (NEGIS) и выпускные ледники северо-западной Гренландии вызывают особую озабоченность.

Прогнозы по изменению климата

Сложные модели ледяного покрова запускаются на суперкомпьютерах для прогнозирования будущего ГРИС по различным сценариям выбросов парниковых газов. Шестой оценочный доклад МГЭИК предоставляет наиболее полные прогнозы на сегодняшний день. По сценарию с высоким уровнем выбросов (RCP 8.5/SSP5-8.5) ГРИС, по прогнозам, внесет 10-18 см в глобальный уровень моря к 2100 г. По сценарию с очень низким уровнем выбросов (RCP 2.6/SSP1-1.9), этот вклад может быть снижен до 2-5 см. Критически, ледяной покров, возможно, уже прошел порог необратимых изменений. Даже если потепление должно было прекратиться, ледяной покров может продолжать терять массу в течение веков из-за инерции в климатической системе и продолжающейся реакции отводящих ледников на прошедшее потепление. Долгосрочная стабильность ледяного покрова почти полностью зависит от пути будущих выбросов.

Ледяной щит Гренландии является ярким индикатором масштабов воздействия человека на систему Земли. Образованный в течение десятков тысяч лет в результате медленных геологических и климатических процессов, он в настоящее время не создается под влиянием глобального потепления, вызванного деятельностью человека. Физика, управляющая его потоком и расплавом, хорошо понятна. Хотя неопределенность остается в точном моделировании его будущего, общее направление ясно: продолжающиеся высокие выбросы будут фиксировать рост уровня моря и значительные нарушения океанских течений и погодных условий. Единственный способ сохранить ледяной щит в чем-либо, напоминающем его текущее состояние, - это быстро сократить глобальные выбросы парниковых газов до чистого нуля.