Table of Contents

Понять ледяные щиты: огромные замерзшие гиганты нашей планеты

Ледяные щиты представляют собой одни из самых впечатляющих и последовательных особенностей криосферы Земли. Эти колоссальные массы ледникового льда, определяемые как покрывающие площади, превышающие 50 000 квадратных километров, доминируют в полярных регионах нашей планеты и играют незаменимую роль в регулировании глобальных климатических моделей, циркуляции океана и уровня моря. В настоящее время на Земле существуют только два основных ледяных щита: Антарктический ледяной щит и Гренландский ледяной щит, вместе содержащие примерно 99 процентов пресноводного льда в мире. Физические характеристики и динамическое поведение этих замороженных бегемотов имеют глубокие последствия для понимания прошлых климатических условий, прогнозирования будущих изменений окружающей среды и оценки потенциальных последствий глобального потепления для прибрежных сообществ во всем мире.

Изучение ледяных щитов охватывает множество взаимосвязанных физических особенностей, каждый из которых вносит уникальный вклад в общее поведение и стабильность этих массивных ледяных образований. От медленно движущихся ледников, которые прорезают горные долины, до быстро текучих ледяных потоков, которые истощают обширные внутренние районы, и от плавучих шельфовых ледников, которые поддерживают наземный лед, до сложных процессов накопления и абляции, каждый компонент играет решающую роль в сложной системе, которая управляет динамикой ледяного щита. По мере того, как изменение климата ускоряется и глобальные температуры продолжают расти, понимание этих физических особенностей становится все более актуальным для ученых, политиков и сообществ, сталкивающихся с перспективой повышения уровня моря и изменения погодных условий.

Ледники: фундаментальные строительные блоки ледяных щитов

Формирование и особенности ледников

Ледники — это стойкие тела плотного льда, образующиеся в результате замечательного процесса трансформации, охватывающего многие годы или даже столетия. Путешествие начинается с того, что снегопад накапливается в регионах, где зимний снегопад превышает летнее таяние. Со временем вес последовательных снежных слоев сжимает лежащий в его основе снег, постепенно превращая его из света, пушистых кристаллов в плотный, гранулированный снег, называемый пряжей. Поскольку этот процесс продолжается в течение десятилетий, пряжка подвергается дальнейшему сжатию и перекристаллизации, в конечном итоге становясь сплошным ледниковым льдом с характерным синим видом, вызванным поглощением длин волн красного света при отражении синего света.

Плотность ледникового льда обычно колеблется от 830 до 917 килограммов на кубический метр, приближаясь к плотности чистого льда. Это превращение из снега в лед включает в себя вытеснение воздуха, зажатого между кристаллами снега, хотя некоторый воздух остается зажатым в виде крошечных пузырьков внутри льда. Эти пузырьки воздуха служат бесценными капсулами времени для ученых, сохраняя образцы древнего атмосферного состава, которые обеспечивают решающее понимание прошлых климатических условий. Ледяные керны, извлеченные из глубин ледников и ледяных щитов, выявили атмосферные данные, охватывающие сотни тысяч лет, предлагая беспрецедентные окна в историю климата Земли.

Движение ледника и динамика потока

Несмотря на свой солидный вид, ледники являются динамическими особенностями, которые текут и движутся под действием силы тяжести. Это движение происходит через два первичных механизма: внутренняя деформация и базальное скольжение. Внутренняя деформация включает в себя пластиковый поток кристаллов льда внутри ледникового тела, при этом лед ведет себя как чрезвычайно вязкая жидкость в течение длительных временных отрезков. Скорость внутренней деформации зависит от факторов, включая температуру льда, толщину и крутизну подстилающей местности. Более теплый лед вблизи точки таяния давления деформируется легче, чем более холодный лед, что делает умеренные ледники в целом более мобильными, чем полярные ледники.

Базальный скольжение происходит, когда тонкий слой талой воды образуется на границе между ледником и цокольной породой под ним. Этот слой воды действует как смазка, позволяя всей массе ледника быстрее скользить по подстилающей поверхности. Наличие и протяженность базальной талой воды зависят от геотермального тепла из недр Земли, фрикционного нагрева, генерируемого движением льда, и изолирующих свойств настигающего льда. В некоторых случаях подледниковая вода накапливается в озерах под ледяными щитами, создавая зоны усиленного скольжения, которые могут значительно ускорить ледяной поток. Открытие сотен подледниковых озер под Антарктидой произвело революцию в понимании динамики ледяного покрова и потенциала быстрого разряда льда.

Ледниковая эрозия и изменение ландшафта

Ледники являются одними из самых мощных агентов изменения ландшафта на Земле, способных резко изменить рельеф через эрозионные и осажденные процессы. По мере того, как ледники перемещаются по коренных породах, они разрушают подстилающую поверхность с помощью двух основных механизмов: истирания и выщипывания. Истирание происходит, когда фрагменты горных пород, встроенные в базальный лед, действуют как наждачная бумага, измельчая породу и создавая гладкие, полированные поверхности, отмеченные параллельными царапинами, называемыми ледниковыми полосами. Эти полосы предоставляют ценные доказательства прошлых направлений ледникового потока и помогают геологам реконструировать степень и поведение древних ледяных щитов.

Скапливание, также известное как карьерирование, предполагает удаление более крупных фрагментов породы с поверхности породы. Этот процесс происходит, когда талая вода проникает в трещины и соединения в породе, замораживается и встраивается в движущийся ледник. По мере продвижения льда он буквально вырывает эти фрагменты породы из породы, включая их в основание ледника, где они способствуют дальнейшему истиранию. Совместные эффекты истирания и выщипывания создают отличительные ледниковые формы, включая U-образные долины, цирки, ареты, рога и висячие долины, которые характеризуют ранее оледеневшие горные районы во всем мире.

Осадочные породы, размытые ледниками, в конечном итоге отлагаются, когда тает лед, создавая различные ледниковые осадочные особенности. До тех пор, пока несортированная смесь глины, песка, гравия и валунов, отложенных непосредственно ледниковым льдом, не образует морены, которые отмечают бывшие ледниковые поля. Ледниковая промывка, состоящая из отсортированных осадков, отложенных талыми потоками, создает обширные равнины и долину, заполняет. Эрратики, большие валуны, транспортируемые далеко от их истоков ледниковыми льдами, обеспечивают драматические свидетельства прошлого оледенения и помогают ученым проследить пути древних ледяных потоков.

Типы ледников в ледяных щитах

В то время как сами ледяные щиты классифицируются как отдельный тип ледника на основе их огромных размеров, они содержат различные типы ледников в своей структуре. Выходные ледники — это долинные ледники, которые вытекают наружу из ледяных щитов через зазоры в окружающих горах или нагорьях, направляя лед из внутренней части к краям. Эти выходные ледники могут простираться на сотни километров и могут заканчиваться на суше, в океане или путем подачи на ледяные шельфы. Поведение выходных ледников значительно влияет на общий массовый баланс ледяных щитов, поскольку они представляют собой основные пути для сброса льда.

Альпийские или долинные ледники, хотя обычно ассоциируются с горными регионами за пределами ледяных щитов, имеют фундаментальные характеристики со льдом, который включает ледяные щиты. Понимание поведения альпийских ледников дает представление, применимое к динамике ледяного щита, особенно в отношении отношений между климатическими переменными, темпами накопления, скоростями абляции и временем отклика ледника. Принципы, регулирующие баланс массы ледника - разница между льдом, полученным через снегопад, и льдом, потерянным через таяние, сублимацию и отечность - одинаково применимы к небольшим альпийским ледникам и к обширным просторам полярных ледников.

Ледяные потоки: Артерии разряда ледяного щита

Определение характеристик и открытие

Ледовые потоки представляют собой одну из самых динамичных и последовательных особенностей ледяных щитов, функционирующих как быстротекущие каналы льда, которые сливают обширные внутренние области и транспортируют огромные объемы льда к краям. В отличие от окружающего ледяного щита, который обычно движется со скоростью всего несколько метров в год, ледяные потоки могут течь со скоростью, превышающей несколько сотен метров, даже до нескольких километров в год. Эта драматическая разница в скорости потока происходит, несмотря на то, что ледяные потоки имеют аналогичную толщину льда и поверхностные склоны к соседним более медленным льдам, что делает их особенно интригующими предметами гляциологических исследований.

Признание ледяных потоков как отдельных особенностей в ледяных щитах появилось относительно недавно в гляциологической истории. Ранние антарктические исследователи отмечали области сильно расщепленного льда, предполагающего быстрый поток, но полная степень и значение ледяных потоков стали очевидными только с появлением спутниковых снимков и радиоэхо-звучащих во второй половине двадцатого века.Эти технологии показали, что ледяные потоки являются не изолированными аномалиями, а скорее фундаментальными компонентами структуры ледяного щита, причем основные ледяные потоки истощают примерно 90 процентов Антарктического ледяного щита, несмотря на то, что занимают только около 10 процентов его площади.

Механизмы, обеспечивающие быстрый поток ледяного потока

Необычайные скорости течения ледовых потоков возникают в результате условий у их основания, резко снижающих трение между льдом и коренной породой. Большинство ледовых потоков характеризуются наличием у их основания водонасыщенных отложений, создающих деформируемое ложе, позволяющее быстро сползать. Эти мягкие, неконсолидированные отложения, часто состоящие из богатой глиной форели, могут деформироваться под напряжением, наложенным на накладывающийся лед, эффективно отсоединяя ледовый поток от жесткой породы под ними. Деформация этих базальных отложений вносит значительный вклад в движение ледового потока, в некоторых случаях составляя более половины общей скорости поверхности.

Наличие базальной воды имеет решающее значение для поддержания слабых условий пласта, которые обеспечивают быстрый поток льда. Эта вода происходит из нескольких источников, в том числе из базального плавления, вызванного геотермальным теплом и фрикционным нагревом, и воды, транспортируемой из областей верхнего течения. Давление воды на границе ледяного пласта играет решающую роль в определении поведения ледяного потока: высокое давление воды снижает эффективное напряжение на дне, уменьшая трение и позволяя более быстрому потоку. И наоборот, если дренажные пути позволяют давлению воды уменьшаться, трение увеличивается, и поток ледяного потока может резко замедлиться или даже полностью прекратиться.

Ледовые потоки обычно ограничены относительно узкими краями сдвига, где быстро текучий ледовый поток встречается с более медленным льдом окружающего ледяного покрова. Эти края сдвига, часто всего в несколько километров в ширину, вмещают огромные градиенты скорости и испытывают интенсивную деформацию. Концентрация деформации в этих краях генерирует значительный трениевой нагрев, который может смягчить лед и создать положительную обратную связь, которая поддерживает резкие границы между быстрым и медленным потоком. Понимание механики этих пределов сдвига имеет важное значение для прогнозирования поведения и стабильности ледового потока.

Переменные и изменения в поведении ледяного потока

Одним из наиболее примечательных и тревожных аспектов ледовых потоков является их способность к быстрым изменениям скорости потока в относительно короткие сроки. Наблюдения из Антарктиды зафиксировали ледяные потоки, которые ускорялись, замедлялись или даже прекращали свое течение полностью в течение десятилетий до столетий. Ледовый поток Камба в Западной Антарктиде, например, прекратил быстрое течение примерно 160 лет назад и остается застойным сегодня, в то время как его прежний разряд был перераспределен на соседние ледяные потоки. Такие драматические изменения демонстрируют, что ледовые потоки являются не статичными особенностями, а скорее динамическими системами, способными к быстрой реорганизации.

Механизмы, приводящие к изменчивости ледяного потока, остаются предметом активных исследований и дебатов. Изменения в базальном распределении воды и давлении, по-видимому, играют центральную роль, при этом изменения в субледниковой гидрологии потенциально запускают переключатели между состояниями быстрого и медленного течения. Геометрия кровати, включая наличие коренных бугорков или осадочных хребтов, может влиять на маршрутизацию воды и стабильность ледового потока. Кроме того, изменения толщины льда, поверхностного склона или опоры, обеспечиваемые шельфовыми ледниками вниз по течению, могут распространяться вверх по течению и влиять на поведение ледяного потока на протяжении всей их длины.

Изменение климата добавляет еще один слой сложности к динамике ледяного потока. Увеличение поверхностного таяния может доставлять дополнительную воду в русло через трещины и мулены, потенциально смазывая основание и ускоряя поток. Изменения температуры океана могут влиять на шельфовые ледники, которые поддерживают ледяные потоки, с истончением ледникового шельфа или коллапсом, устраняя сдерживающие силы и позволяя ледовым потокам ускоряться. Несколько антарктических ледовых потоков продемонстрировали значительное ускорение в последние десятилетия, вызывая обеспокоенность по поводу их вклада в повышение уровня моря. Ледники Пайн-Айленда и Твейтса в Западной Антарктиде, как крупные ледяные потоки, испытали существенное ускорение и истончение, что делает их координационными центрами для исследований стабильности ледяного покрова и будущих прогнозов уровня моря.

Роль ледяных потоков в массовом балансе ледяного покрова

Ледовые потоки служат основными путями, по которым ледяные щиты сбрасывают массу в океан, что делает их критическими элементами управления на балансе массы ледяного покрова и вклада уровня моря. Массовый баланс ледяного покрова зависит от разницы между накоплением в интерьере и сбросом на полях, причем ледовые потоки составляют большую часть этого сброса. Поскольку ледовые потоки текут намного быстрее, чем окружающие льды, они эффективно сливают большие водосборные площади, при этом отдельные ледовые потоки иногда сливают бассейны, превышающие один миллион квадратных километров.

Эффективность дренажа ледяного потока имеет важные последствия для реакции ледяного покрова на изменение климата. Если потепление климатических условий заставляет ледовые потоки ускоряться, ледяные покровы могут терять массу быстрее, чем это могло бы произойти только через поверхностное таяние. Этот динамический разряд представляет собой потенциально значительный и быстрый вклад в повышение уровня моря. И наоборот, если ледовые потоки замедляются или отключаются, лед может накапливаться в интерьере, потенциально компенсируя некоторую потерю массы от увеличения поверхностного таяния. Сложное взаимодействие между накоплением, поверхностным таянием и динамическим разрядом через ледяные потоки делает прогнозирование будущего поведения ледяного покрова особенно сложным.

Мониторинг поведения ледяного потока стал приоритетом для понимания вклада ледяного покрова в повышение уровня моря. Спутниковые наблюдения, включая радиолокационную интерферометрию и альтиметрию, теперь обеспечивают подробные измерения скоростей ледяного потока, изменений высоты и позиций линии заземления. Эти наблюдения показывают, что многие ледяные потоки в настоящее время находятся вне баланса, при этом сброс превышает накопление, что приводит к чистой потере массы и истончению. Включение реалистичных представлений процессов ледяного потока в модели ледяного покрова остается серьезной проблемой, но имеет важное значение для улучшения прогнозов будущего повышения уровня моря.

Ледяные полки: плавающие подпорки системы ледяного покрова

Структура и формирование шельфовых ледников

Ледовые шельфы представляют собой толстые плавучие платформы льда, образующиеся там, где наземные ледяные щиты и ледники распространяются в океан и начинают плавать. Эти замечательные структуры, некоторые простирающиеся на сотни километров от линии заземления, где лед впервые теряет контакт с коренной породой, представляют собой интерфейс между наземными ледяными щитами и морской средой. Самые большие ледяные шельфы, включая шельфовый ледник Росса и шельфовый ледник Фильхнера-Ронна в Антарктиде, покрывают области, сопоставимые с крупными странами, с одним только ледниковым шельфом Росса, охватывающим примерно 487 000 квадратных километров, примерно размером с Испанию.

Ледовые шельфы образуются посредством множества процессов, которые вносят лед в плавучую платформу. Первоисточником является поток заземленного льда через линию заземления, с ледяными потоками и выходными ледниками, доставляющими большую часть льда на большинство шельфовых ледников. После плавания лед продолжает течь и распространяться под собственным весом, истончаясь по мере продвижения по морю. Дополнительное накопление льда происходит через снегопад на поверхности шельфового ледника, который постепенно сжимается и добавляет к толщине ледового шельфа. В некоторых регионах образование морского льда и замораживание морской воды к основанию шельфового ледника также вносят массу, хотя эти процессы обычно играют второстепенные роли по сравнению с притоком сухопутного льда.

Толщина шельфовых ледников значительно варьируется, как правило, от нескольких сотен метров вблизи линии заземления до всего лишь 50 метров вблизи фронта откалывания, где откалываются айсберги. Это истончение происходит за счет сочетания процессов, включающих растяжение по мере того, как лед течет, базальное таяние, где под шельфовым ледником циркулирует относительно теплая океанская вода, и поверхностное таяние в регионах, где летние температуры поднимаются выше замерзания. Вертикальная структура шельфовых ледников часто включает в себя различные слои, отражающие различные области источников и истории накопления, с льдом, происходящим из разных ледников или ледяных потоков, сохраняющих отдельные идентичности, когда они текут через шельфовый ледник.

Эффект подпорки и стабильность ледяного покрова

Возможно, наиболее важной функцией шельфовых ледников является их роль в укреплении заземленного льда вверх по течению, сдерживании потока ледников и ледяных потоков, которые их питают. Этот эффект укреплений возникает из-за сопротивления ледниковых шельфов, встречающихся по мере их течения, включая трение вдоль их боковых краев, где они контактируют со стенами скал или более медленным льдом, сопротивление от ледниковых подъемов и румпов, где ледниковый шельф локально обосновался на скальных высотах, и сопротивление от морского льда и меланжа перед ледниковым шельфом. Эти резистивные силы передаются вверх по течению через ледниковый шельф, эффективно сдерживая заземленный лед и замедляя его сброс в океан.

Важность подпорки ледникового шельфа становится резко очевидной, когда шельфовые ледники тоньше, ослабевают или разрушаются. Когда шельфовый ледник теряет массу и тоньше, его способность обеспечивать подпорку уменьшается, позволяя ускоряться ледникам и ледовым потокам вверх по течению. Это ускорение увеличивает разряд льда, способствуя повышению уровня моря и потенциально вызывая дальнейшую нестабильность ледникового покрова. За обвалом шельфовых ледников вдоль Антарктического полуострова, включая драматический распад ледникового шельфа Ларсена В в 2002 году последовало существенное ускорение ледников, которые ранее питали эти шельфовые ледники, обеспечивая четкие доказательства эффекта подпорки в действии.

Стабильность шельфовых ледников, таким образом, имеет глубокие последствия для стабильности целых ледяных щитов. Ледовые шельфы, окаймляющие Западно-Антарктический ледяной щит, вызывают особую озабоченность, поскольку большая часть этого ледяного щита лежит на коренной породе ниже уровня моря, что делает его потенциально уязвимым для нестабильности морского ледяного щита. В этом сценарии, если укрепление шельфового ледника будет уменьшено и линия заземления отступит в более глубокую воду, ледяной щит может войти в петлю положительной обратной связи ускоренного отступления. Топография коренного щита под Западной Антарктидой, со многими регионами, наклоняющимися вниз к внутренней части, может способствовать быстрому и необратимому отступлению, когда-то начатому, потенциально способствуя нескольким метрам глобальному повышению уровня моря в течение следующих веков.

Таяние ледникового шельфа и взаимодействие с океаном

Взаимодействие между шельфовыми ледниками и океаном представляет собой критически важный компонент связи ледового покрова с климатом, при этом плавление под воздействием океана становится основным фактором потери массы шельфового льда во многих регионах. В отличие от таяния поверхности, которое ограничено летними месяцами в большинстве районов Антарктики, базальное таяние может происходить круглый год, когда океанская вода теплее, чем температура замерзания морской воды на месте (приблизительно -2 ° C при давлении под шельфовыми ледниками) вступает в контакт с основанием шельфового ледника. Скорость базального таяния зависит как от разницы температур между океанской водой и льдом, так и от эффективности теплопередачи, на которую влияют модели циркуляции океана под шельфовым льдом.

Океанская циркуляция под шельфовыми ледниками обусловлена сочетанием факторов, в том числе приливов, ветров и термохалинных процессов. Особенно важным процессом является механизм ледового насоса или ледяного шельфового насоса, при котором относительно теплая океанская вода, впадающая в полость под шельфовым ледником, вызывает таяние, особенно в глубоких районах вблизи линии заземления. Получающаяся талая вода, будучи менее плотной, чем морская вода, поднимается вдоль основания шельфового ледника, иногда повторно замерзая на более мелких глубинах, где давление ниже, а точка замерзания выше. Эта схема циркуляции может создать значительную пространственную изменчивость в скорости плавления, при интенсивном плавлении вблизи линий заземления и потенциальном повторном замерзании в других областях.

Изменения температуры океана, даже относительно небольшие, могут иметь драматические последствия для стабильности шельфового льда. Наблюдения из Антарктиды показывают, что некоторые шельфовые ледники испытывают повышенные темпы базального таяния, поскольку более теплые океанские воды получают доступ к полости шельфового льда. Механизмы, позволяющие этому увеличению доступа, варьируются в зависимости от региона, но могут включать изменения в ветровых моделях, которые изменяют циркуляцию океана, изменения в формировании морского льда, которые влияют на свойства массы воды, и вторжение относительно теплой циркумполярной глубокой воды на континентальный шельф. Сосновый остров и шельфовые ледники Туэйтса в Западной Антарктиде испытали особенно быстрое истончение, связанное с увеличением базального таяния, вызывая опасения по поводу стабильности ледников, которые они поддерживают.

Ледяной шельф распадается и распадается

В то время как шельфовые ледники по своей природе являются динамическими особенностями, которые непрерывно набирают массу от потока льда вверх по течению и теряют массу через отечность и таяние, некоторые шельфовые ледники испытали быстрые события коллапса, которые резко изменили систему ледяного покрова. Наиболее широко изученные примеры приходят с Антарктического полуострова, где повышение атмосферных и океанских температур привело к постепенному отступлению и коллапсу нескольких шельфовых ледников за последние десятилетия. Ледниковый шельф Ларсена А рухнул в 1995 году, за которым последовал гораздо больший ледниковый шельф Ларсена В в 2002 году, который распался всего за несколько недель после того, как был стабильным в течение тысяч лет.

Механизмы, приводящие к обрушению ледникового шельфа, включают сложные взаимодействия между несколькими процессами. Поверхностная талая вода, по-видимому, играет критическую роль, с талой водой, прудирующей на поверхности шельфового ледника и сливающейся в трещины, процесс, известный как гидроразрыв. Когда заполненные водой трещины проникают через полную толщину шельфового ледника, они могут вызвать быстрое распространение трещин и распад шельфового ледника. Этот механизм объясняет, почему обрушения ледникового шельфа часто происходят быстро, как только порог плавления поверхности превышен. Наличие структурных слабостей, включая разломы и трещины, делает шельфовые ледники особенно уязвимыми для обрушения, вызванного гидроразрывом.

Последствия обрушения ледникового шельфа выходят далеко за рамки непосредственной потери плавающего льда, что не способствует непосредственно повышению уровня моря, поскольку лед уже вытесняет морскую воду. Скорее, основная проблема заключается в удалении подпорки и последующем ускорении заземления льда вверх по течению. После обрушения ледникового шельфа Ларсена В ледники, которые питали ледниковый шельф, ускорялись в два-восемь раз, резко увеличивая свой вклад в повышение уровня моря. Этот ответ демонстрирует критическую роль шельфовых ледников в регулировании сброса ледяного покрова и подчеркивает потенциал для быстрых изменений в поведении ледникового покрова после потери ледникового шельфа.

Зоны накопления: где растут ледяные щиты

Процессы накопления и трансформации снега

Зона накопления ледяного покрова охватывает регионы, где годовой снегопад превышает годовые потери от таяния, сублимации и ветровой эрозии, в результате чего происходит чистый прирост массы.Эти зоны обычно занимают высокие внутренние области ледяных покровов, где холодные температуры препятствуют значительному летнему таянию и где атмосферные циркуляции обеспечивают влагу в виде снегопада.Зона накопления Антарктического ледяного покрова охватывает подавляющее большинство континента, при этом поверхностное таяние ограничивается прибрежными районами и Антарктическим полуостровом, а Гренландский ледяной покров имеет более ограниченную зону накопления из-за более обширного летнего таяния на более низких высотах.

Снегопады над ледяными щитами демонстрируют значительную пространственную и временную изменчивость, на которую влияют атмосферные циркуляции, наличие влаги и топография Прибрежные регионы обычно получают более высокие темпы накопления, чем внутренние области из-за их близости к источникам влаги и тенденции к штормам откладывать осадки, поскольку они сталкиваются с растущей топографией ледяного щита.Самые высокие темпы накопления на Земле происходят на некоторых прибрежных антарктических шельфовых ледниках и ледниках, где ежегодный снегопад может превышать несколько метров водного эквивалента.В отличие от этого, внутренняя часть Антарктиды по существу является замороженной пустыней, с годовыми темпами накопления иногда менее 50 миллиметров водного эквивалента, сопоставимого с самыми сухими горячими пустынями.

После осаждения снег подвергается постепенному процессу трансформации, поскольку он закапывается последующим снегопадом. Вес высыхающего снега сжимает более глубокие слои, заставляя отдельные кристаллы снега связывать вместе и уменьшать воздушные пространства. Этот процесс, называемый уплотнением, протекает через несколько этапов, при этом вновь выпавший снег имеет плотность примерно 50-200 килограммов на кубический метр, увеличиваясь до 400-830 килограммов на кубический метр, по мере его превращения в пряжу, и в конечном итоге достигает плотности твердого льда примерно 830-917 килограммов на кубический метр. Глубина, при которой снег полностью превращается в лед, варьируется в зависимости от скорости накопления и температуры, варьируя от около 50 метров в высоконакопительных прибрежных районах до более 100 метров в холодном, низконакопительном интерьере.

Климатические сигналы, сохраняющиеся в зонах накопления

Зоны накопления ледяных щитов служат бесценными архивами прошлых климатических условий, при этом каждый слой снега сохраняет информацию об атмосферных условиях в момент осаждения. Ледяные керны, пробуренные из зон накопления, обеспечивают непрерывные записи температуры, состава атмосферы, осадков, вулканической активности и даже биологической активности, охватывающие сотни тысяч лет. Самые длинные ледяные керновые записи, извлеченные из Восточно-Антарктического ледяного щита, простираются примерно на 800 000 лет, охватывая несколько ледниково-межледниковых циклов и обеспечивая критический контекст для понимания текущего изменения климата.

Многочисленные прокси в ледяных кернах позволяют ученым реконструировать прошлые условия. Соотношение изотопов кислорода во льду отражает температуру, при которой формировался снег, обеспечивая запись прошлых колебаний температуры. Воздушные пузырьки, попавшие в лед, содержат образцы древней атмосферы, позволяя напрямую измерять прошлые концентрации парниковых газов, включая углекислый газ и метан. Химические примеси во льду, включая морские соли, пыль и вулканический пепел, предоставляют информацию об атмосферной циркуляции, засушливости и извержениях вулканов. Толщина годовых слоев отражает прошлые темпы накопления, предлагая понимание моделей осадков и переноса атмосферной влаги.

Недавние изменения в моделях накопления ледяных щитов имеют важные последствия для баланса массы ледяного покрова и уровня моря. Климатические модели в целом предсказывают, что потепление температур повысит содержание влаги в атмосфере и усилит снегопады над ледяными щитами, потенциально компенсируя некоторые потери массы от увеличения таяния и динамического разряда. Однако наблюдения за тенденциями накопления показывают сложные пространственные закономерности, причем некоторые регионы испытывают повышенное накопление, в то время как другие показывают снижение. Понимание этих тенденций и их факторов остается необходимым для прогнозирования будущего поведения ледяного покрова и уточнения прогнозов повышения уровня моря.

Зоны абляции и фронты кальвирования: где ледяные щиты теряют массу

Процессы поверхностного плавления и стока

Зона абляции ледяного покрова охватывает регионы, где годовые потери массы превышают накопление, что приводит к чистой потере массы.Таяние поверхности представляет собой первичный процесс абляции в этих зонах, происходящий, когда летние температуры поднимаются выше замерзания, а солнечная радиация обеспечивает достаточную энергию для таяния снега и льда.Степень и интенсивность таяния поверхности резко различаются между ледяными щитами, причем ледяной покров Гренландии испытывает обширное летнее таяние на большей части своей поверхности, в то время как таяние поверхности на Антарктическом ледяном щите остается в значительной степени ограниченным Антарктическим полуостровом и некоторыми прибрежными регионами.

Судьба талой воды на поверхностях ледяного покрова зависит от местных условий и структуры ледяного покрова. В некоторых районах талая вода замораживается в снежном покрове, выделяя скрытое тепло и нагревая пряжу. Эта замерзшая талая вода, называемая наложенным льдом, не способствует потере массы, но может изменять тепловые и гидрологические свойства приповерхностного льда. В других районах талая вода течет по поверхности льда в ручьях и реках, в конечном итоге стекая в расщелины, мулены (вертикальные валы) или с края ледяного покрова. Развитие обширных поверхностных дренажных сетей на Гренландском ледяном щите в летние месяцы создает драматические голубые реки и озера, резко контрастирующие с поверхностью белого льда.

Мелководье, проникающее в дно ледяного покрова, может существенно влиять на динамику льда, влияя на скорость скольжения базала. Впрыск поверхностных талых вод в дно через мулены может временно повышать давление воды, уменьшать базальное трение и ускорять ледовый поток. Однако связь между поверхностным плавлением и динамикой льда сложна, при этом некоторые исследования предполагают, что устойчивый вход талых вод может повысить эффективность подледниковых дренажных систем, в конечном итоге снижая давление воды и замедляя ледяной поток. Чистый эффект повышенного плавления поверхности на динамике ледяного покрова остается активной областью исследований с важными последствиями для прогнозирования реакции ледяного покрова на потепление.

Процессы кальвирования и производство айсберга

Калвинг, процесс, посредством которого айсберги отрываются от конечной точки ледников или передней части шельфовых ледников, представляет собой основной механизм потери массы от ледяных щитов. Калвинг происходит на фронте откалывания, на морском или озерном краю плавающего или заземленного льда и может варьироваться от небольших, частых событий, связанных с блоками размером с дом, до массивных, нечастых событий, производящих айсберги площадью в сотни квадратных километров. Самые большие табличные айсберги, откаленные от антарктических шельфовых ледников, могут быть действительно огромными, с некоторыми более чем 10 000 квадратных километров, больше, чем многие страны.

Механизмы, приводящие к отеку, разнообразны и зависят от того, плавает или заземлен лед, геометрии отела фронта и условий окружающей среды. Для плавающих шельфовых ледников отечность часто происходит по уже существующим разломам, которые распространяются через шельфовый ледник в течение многих лет и десятилетий. Эти разломы могут быть инициированы различными факторами, включая вызванные потоком напряжения, наличие структурных слабостей или воздействие океанских набухания. Как только разлом полностью пересекает шельфовый ледник, высвобождается большой табличный айсберг. Отечность таких айсбергов является естественной частью динамики шельфового льда, при этом шельфовые ледники поддерживают квазиустойчивое состояние через баланс между наплывом льда и потерями отела.

Для заземленных ледников приливной воды те, что заканчиваются в океане, процессы отела более сложны и могут включать в себя множество механизмов.Перелом может происходить через обрушение нависающих ледяных скал, отслоение блоков вдоль трещин или плавучую гибкость и расщепление ледникового языка. Скорость отела ледников зависит от множества факторов, включая глубину воды на конечной точке, скорость льда, толщину льда и наличие ледяного меланжа или морского льда перед ледником. Разработаны эмпирические отношения между этими переменными и скоростями отела, но прогнозирование поведения отела остается сложным из-за сложного взаимодействия механических, термических и океанографических процессов.

Положение и динамика фронтов кальвирования

Положение откалывающих фронтов не статично, а скорее корректируется в ответ на баланс между потоком льда к фронту и потерей массы через откалывание и таяние. Когда откалывание и таяние превышают откалывание и таяние, откалывание фронта продвигается; когда откалывание и таяние превышают отток льда, фронт отступает. Многие ледники приливной воды и шельфовые ледники в последние десятилетия демонстрируют значительное отступление, при этом откалывающие фронты отходят на километры до десятков километров. Это отступление может иметь важные динамические последствия, особенно для ледников приливной воды, где отступление в более глубокие воды может привести к увеличению скорости откалывания и дальнейшему отступлению, положительный отклик, известный как нестабильность ледников приливной воды.

Геометрия стенок кровати и фьорда играет решающую роль в определении устойчивости откоса передней части. Ледники, заканчивающиеся в глубокой воде с наклоном русла вниз к внутренней части, особенно уязвимы для нестабильного отступления, в то время как ледники, заземленные на скальных высотах или на мелководье, как правило, более стабильны. Точки откоса, места, где шельфовые ледники или ледниковые языки закреплены на скальных породах или островах, обеспечивают важные стабилизирующие влияния на фронты откоса. Потеря точек отсечения, будь то изменения толщины льда или геометрии кровати, может вызвать быстрое отступление и распад ледникового шельфа.

Мониторинг положения на передних участках откалывания становится все более важным для оценки стабильности и баланса массы ледяного покрова. Спутниковые снимки обеспечивают регулярные наблюдения за положением на передних участках откалывания вокруг обоих ледяных щитов, выявляя закономерности продвижения и отступления. Многие отводные ледники в Гренландии и Антарктиде в последние десятилетия демонстрируют устойчивое отступление, способствующее увеличению разряда льда и повышению уровня моря. Понимание механизмов контроля за положением на передних участках откалывания и разработка улучшенных моделей процессов откалывания остаются приоритетными задачами для улучшения прогнозов поведения ледяного покрова в будущем.

Взаимосвязи и системное поведение

Интегрированная система ледового щита

В то время как ледники, ледяные потоки, шельфовые ледники, зоны накопления и фронты отела можно изучать как отдельные компоненты, понимание поведения ледяного покрова требует признания сложных взаимосвязей между этими признаками. Ледяные покровы функционируют как интегрированные системы, в которых изменения в одном компоненте могут распространяться по всей системе, вызывая реакции в отдаленных регионах. Например, повышенное таяние поверхности в зоне абляции может влиять на динамику льда, что, в свою очередь, влияет на поток льда из зоны накопления. Аналогично, изменения в укреплении ледяного шельфа могут влиять на скорости ледового потока в сотнях километров вверх по течению, изменяя дренаж обширных внутренних бассейнов.

Сроки реакции ледяного покрова на принуждение резко варьируются в зависимости от процесса и компонента. Баланс массы поверхности реагирует почти сразу на изменения температуры и осадков, при этом темпы накопления и абляции корректируются в течение сезонов. Динамика льда реагирует медленнее, с изменениями скорости льда, распространяющимися через ледяной покров в течение многих лет до десятилетий. Общая геометрия и объем ледяных покровов корректируются в течение еще более длительных временных рамок, с временем отклика от столетий до тысячелетий для крупнейших ледяных покровов. Этот диапазон временных шкал усложняет усилия по прогнозированию поведения ледяного покрова, поскольку быстрые изменения в некоторых компонентах могут быть частично компенсированы или усилены более медленными изменениями в других.

Механизмы обратной связи и переломные моменты

Ледяные щиты подвержены многочисленным механизмам обратной связи, которые могут либо стабилизировать, либо дестабилизировать их в ответ на воздействие климата. Положительные обратные связи усиливают начальные изменения, потенциально приводящие к ускорению потери массы и быстрому вкладу уровня моря. Отзывы о балансе массы и высоты представляют собой одну важную положительную обратную связь: по мере того, как ледяной щит теряет массу и его возвышение поверхности уменьшается, поверхность испытывает более теплые температуры, увеличивая таяние и дальнейшую потерю массы. Эта обратная связь особенно актуальна для Гренландского ледяного щита, где большие площади поверхности ледяного щита могут опускаться до высот со значительно более теплыми температурами, если происходит существенное истончение.

Нестабильность морского ледяного покрова представляет собой еще один критический механизм положительной обратной связи, влияющий на ледяные покровы, заземленные ниже уровня моря. Если линия заземления такого ледяного покрова отступает в более глубокую воду, толщина льда на линии заземления увеличивается, потенциально увеличивая поток льда и приводя к дальнейшему отступлению. Эта нестабильность особенно касается Западно-Антарктического ледяного покрова, где большая часть льда лежит на фундаменте на сотни - тысячи метров ниже уровня моря, с топографией дна, наклоняющейся вниз к внутренней части. После инициирования, нестабильность морского ледяного покрова может привести к необратимому отступлению и возможному коллапсу больших частей ледяного покрова, способствуя повышению уровня моря на несколько метров в течение ближайших веков.

Отрицательные обратные связи, которые ослабляют первоначальные изменения, также действуют в системах ледяного покрова. Увеличение снегопада, ожидаемое в условиях потепления климата, может частично компенсировать потери массы от усиленного таяния и динамического разряда, хотя текущие наблюдения и прогнозы предполагают, что это смещение будет неполным. Фундамент под ледяными щитами также реагирует на изменения ледяной нагрузки через ледниковую изостатическую регулировку, с отскоком породы по мере уменьшения массы льда. Этот отскок может изменять склоны ложа и потенциально стабилизировать отступающие ледяные щиты, хотя временные рамки реакции на корневую породу являются длинными по сравнению с текущими темпами изменения ледяного покрова.

Существование переломных моментов, порогов, за которыми поведение ледяного покрова коренным образом и потенциально необратимо изменяется, представляет собой серьезную проблему в науке о ледяном покрове. Некоторые шельфовые ледники могут иметь температурные пороги, за которыми они становятся уязвимыми для быстрого коллапса через гидроразрыв. Морские ледяные покровы могут иметь геометрические конфигурации, за которыми неустойчивое отступление становится неизбежным. Идентификация этих переломных моментов и определение того, насколько близко нынешние ледяные покровы к их пересечению, остается критической проблемой для научного сообщества и для усилий общества по смягчению и адаптации к изменению климата.

Наблюдение и мониторинг физических особенностей ледяного покрова

Технологии дистанционного зондирования спутников

Удаленный и негостеприимный характер ледяных щитов делает спутниковое дистанционное зондирование незаменимым для наблюдения и мониторинга их физических особенностей. Многочисленные спутниковые технологии предоставляют дополнительную информацию о различных аспектах поведения ледяного щита. Оптические и тепловизионные спутники захватывают видимые и инфракрасные изображения поверхностей ледяного щита, выявляя такие особенности, как трещины, талые пруды, события отела и изменения свойств поверхности. Эти изображения задокументировали драматические события, включая обрушение шельфового льда и образование крупных поверхностных озер на ледяном щите Гренландии.

Радарные спутники, в том числе радар с синтетической апертурой (SAR) и радиолокационная интерферометрия (InSAR), предоставляют важную информацию о движении льда и характеристиках поверхности. InSAR измеряет скорости льда путем обнаружения фазового сдвига радиолокационных сигналов между повторными спутниковыми проходами, позволяя детально отображать закономерности потока льда по всем ледяным щитам. Эти измерения выявили местоположения и скорости ледяных потоков, задокументировали изменения скорости ледникового потока и определили области быстрого динамического изменения. Возможность получения радиолокационных данных независимо от облачного покрова или темноты делает эти системы особенно ценными для мониторинга полярных регионов.

Спутниковая альтиметрия измеряет высоту поверхности ледяного покрова с высокой точностью, позволяя обнаруживать изменения высоты, которые указывают на увеличение или потерю массы. Лазерные альтиметры, такие как те, что находятся в миссиях ICESat и ICESat-2, обеспечивают чрезвычайно точные измерения высоты вдоль узких путей. Радарные альтиметры покрывают более широкие области, но с несколько меньшей точностью. Сравнивая измерения высоты с течением времени, ученые могут определить, где ледяные покровы утолщаются или истончаются, предоставляя важную информацию о балансе массы. Недавние наблюдения показывают широкое истончение отводных ледников и шельфовых ледников как в Гренландии, так и в Антарктиде, причем некоторые регионы теряют высоту со скоростью, превышающей несколько метров в год.

Спутники гравитации, в частности Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) и его преемник GRACE Follow-On, измеряют изменения гравитационного поля Земли, вызванные перераспределением массы, включая изменения массы ледяного покрова. Эти миссии обеспечивают комплексные измерения баланса массы ледяного покрова, учитывающие все процессы, включая баланс массы поверхности, динамику льда и базальные процессы. Данные GRACE подтвердили, что и ледяные покровы Гренландии и Антарктики теряют массу, причем скорость потерь ускоряется в последние десятилетия. Сочетание высотомерных и гравитационных измерений обеспечивает дополнительные ограничения баланса массы ледяного покрова и помогает изменять массу раздела между различными процессами и регионами.

Полевые наблюдения и исследования ледяных ядер

Несмотря на мощь спутникового дистанционного зондирования, полевые наблюдения по-прежнему имеют важное значение для понимания процессов ледяного покрова и проверки измерений дистанционного зондирования. Полевые кампании развертывают приборы непосредственно на ледяных покровах для измерения свойств и процессов, которые нельзя наблюдать из космоса. GPS-приемники, установленные на поверхностях ледяного покрова, обеспечивают непрерывные измерения движения льда, включая сезонные изменения и реакции на такие события, как таяние поверхности или отечность. Погодные станции измеряют компоненты баланса массы поверхности, включая снегопад, таяние и сублимацию. Сейсмические и радиолокационные исследования исследуют внутреннюю структуру ледяных покровов и свойства слоя, выявляя толщину льда, внутреннее наслоение и подледниковые условия.

Бурение ледяного керна представляет собой одну из самых ценных полевых методик для понимания истории и поведения ледяного покрова. Глубокие ледяные керны, некоторые из которых проникают более чем на три километра через ледяные щиты, чтобы достичь коренной породы, обеспечивают непрерывные записи прошлого климата и условий ледяного покрова. Анализ ледяных кернов включает в себя многочисленные методы, включая измерение стабильных изотопов, концентраций парниковых газов, химических примесей, физических свойств и характеристик кристалла льда. Эти анализы показывают не только прошлые климатические условия, но также информацию о потоке ледяного покрова, деформации и истории.

Буровые исследования обеспечивают прямой доступ к внутренней поверхности и базе ледяных щитов, позволяя измерять температуру льда, деформацию и базальные условия. Приборы, опущенные в скважины, могут измерять температурные профили, которые выявляют тепловой поток и прошлые температурные изменения. Буровые камеры и осадочные керны с кровати предоставляют информацию о подледниковых условиях и процессах. В некоторых случаях скважины достигли подледниковых озер, позволяя проводить прямой отбор проб этих уникальных сред и микробной жизни, которую они содержат. Такие наблюдения обеспечивают наземную истину для измерений дистанционного зондирования и критических ограничений для моделей ледяного щита.

Ледяные щиты и глобальный уровень моря

Текущий вклад в повышение уровня моря

Ледяные щиты представляют собой крупнейший потенциальный источник будущего повышения уровня моря, содержащий достаточно льда, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 65 метров, если полностью растаять - около 7 метров от Гренландии и 58 метров от Антарктиды. Хотя полное таяние потребует многих веков до тысячелетий, даже частичная потеря массы ледяного щита имеет значительные последствия для прибрежных сообществ во всем мире. Текущие наблюдения показывают, что оба основных ледяных щита теряют массу и способствуют продолжающемуся повышению уровня моря, причем темпы вклада ускоряются в последние десятилетия.

Ледяной щит Гренландии испытал ускорение потери массы с 1990-х годов, с текущими оценками, предполагающими скорость потери массы приблизительно 250-300 миллиардов метрических тонн в год, внося приблизительно 0,7-0,8 миллиметров в год к глобальному повышению уровня моря. Эта потеря массы является результатом как увеличения поверхностного таяния, вызванного повышением температуры воздуха, так и увеличения сброса льда через выпускные ледники, обусловленного ускорением ледника и отступлением. Относительный вклад этих процессов варьируется в региональном масштабе, с поверхностным таянием, доминирующим в южной и западной Гренландии, в то время как динамический сброс играет большую роль в северных и восточных регионах.

Вклад Антарктического ледяного щита в повышение уровня моря также увеличился в последние десятилетия, хотя с большей неопределенностью и региональной изменчивостью, чем Гренландия. Текущие оценки предполагают, что потери массы Антарктики составляют приблизительно 150-200 миллиардов метрических тонн в год, внося приблизительно 0,4-0,5 миллиметров в год к уровню моря. Потеря массы сосредоточена в Западной Антарктиде, особенно в секторе моря Амундсена, где основные ледники, включая Остров Сосны и Туэйтс, испытали быстрое истончение и ускорение. Восточная Антарктида, самая большая часть ледяного щита, показывает более сложную картину с некоторыми регионами, набирающими массу через увеличение снегопада, в то время как другие теряют массу через динамические изменения.

Будущие прогнозы и неопределенности

Прогнозирование будущих вкладов ледяного покрова в повышение уровня моря остается одной из самых сложных и последовательных проблем в науке о климате. Сложность систем ледяного покрова, многочисленные взаимодействующие процессы, вовлеченные, и потенциал для быстрых, нелинейных изменений, все способствуют существенной неопределенности в прогнозах. Текущие прогнозы вклада ледяного покрова в повышение уровня моря двадцать первого века охватывают широкий диапазон, от десятков сантиметров до более метра, в зависимости от будущих выбросов парниковых газов, формулировок модели ледяного покрова и предположений о ключевых процессах.

Наибольшие неопределенности в прогнозах ледяного покрова связаны с динамическими процессами, в частности с потенциалом нестабильности морского ледяного покрова в Антарктиде и поведением отводных ледников в Гренландии. В то время как изменения баланса массы поверхности могут прогнозироваться с разумной уверенностью на основе выхода климатической модели, прогнозирование изменений динамики льда требует понимания и моделирования процессов, которые остаются плохо ограниченными. Потенциал нестабильности ледяного покрова, при котором высокие ледяные скалы на фронтах отела становятся механически неустойчивыми и быстро разрушаются, представляет собой особенно неопределенный, но потенциально важный процесс, который может резко ускорить потерю массы ледяного покрова.

В ходе последних исследований был изучен потенциал гораздо более значительного вклада ледяного покрова в повышение уровня моря, чем считалось ранее, особенно в Антарктике. Некоторые анализы показывают, что нестабильность морского ледяного покрова, потенциально сочетающаяся с нестабильностью ледяного покрова, может привести к тому, что антарктический вклад превысит один метр к 2100 году и несколько метров к 2200 году в сценариях с высокими выбросами. Хотя эти прогнозы остаются спорными и подвержены значительной неопределенности, они подчеркивают потенциал того, что ледяные покровы могут внести значительно больший вклад в повышение уровня моря, чем считалось ранее, с глубокими последствиями для планирования прибрежных районов и климатической политики.

Будущее исследований ледяного покрова

Понимание физических особенностей ледяных щитов - от медленно движущихся ледников, которые формируют ландшафты, до быстро текучих ледяных потоков, которые истощают внутренние бассейны, от плавучих шельфовых ледников, которые укрепляют лед вверх по течению, до зон накопления, которые архивируют историю климата и отела фронтов, где лед встречается с океаном - остается важным для прогнозирования климатического будущего Земли и подготовки к последствиям продолжающихся изменений. Поскольку изменение климата продолжает нагревать полярные регионы со скоростью, превышающей среднемировой уровень, ледяные щиты реагируют таким образом, что это повлияет на миллиарды людей через повышение уровня моря и изменения в циркуляции океана и климатических моделях.

Достижения в области наблюдательных возможностей, включая новые спутниковые миссии и расширенные полевые программы, продолжают улучшать понимание процессов и поведения ледяного покрова. Разработка более сложных моделей ледяного покрова, которые включают в себя подробные представления о ключевых процессах, включая динамику ледовых потоков, укрепление ледяного шельфа, отечность и взаимодействие ледового океана, повышает способность прогнозировать будущие изменения. Международное сотрудничество и скоординированные исследовательские усилия направлены на устранение критических пробелов в знаниях и работу по снижению неопределенности в прогнозах уровня моря.

Физические особенности ледяных щитов, их взаимосвязи и их реакция на изменение климата в значительной степени определят величину и скорость будущего повышения уровня моря, затрагивая прибрежные сообщества, инфраструктуру, экосистемы и экономики во всем мире. Продолжение исследований процессов ледяного покрова, постоянный мониторинг изменений ледяного покрова и улучшенные возможности моделирования остаются необходимыми для понимания этих массивных замороженных гигантов и подготовки к изменениям, которые они принесут на нашу планету. Для получения дополнительной информации о ледяных щитах и их роли в климатической системе посетите портал NASA Ice Sheets или изучите данные Национального центра данных о снеге и льде .

По мере того, как мы продолжаем наблюдать ускоряющиеся изменения ледяных щитов по всему миру, важность понимания их физических особенностей и поведения только растет. Ледники, ледяные потоки, шельфовые ледники, зоны накопления и отела, которые составляют эти массивные ледяные тела, являются не просто географическими особенностями, но активными компонентами климатической системы Земли, реагирующими на глобальные условия окружающей среды. Знания, полученные в результате изучения этих особенностей, обеспечивают не только научные идеи, но и практическую информацию, необходимую для адаптации к изменяющемуся миру, который поможет создать эволюция ледяного щита. Для дополнительных ресурсов по ледниковой и ледяной науке портал Antarctic Glaciers предлагает всеобъемлющие учебные материалы и текущие результаты исследований.