Антарктические ледяные щиты являются крупнейшими ледниковыми формами на Земле, охватывающими примерно 14 миллионов квадратных километров и удерживающими примерно 60 процентов пресной воды планеты. Если весь ледяной щит растаял, глобальный уровень моря поднимется примерно на 58 метров. Эти ледяные щиты не являются статическими; они являются динамическими системами, которые реагируют на изменения температуры, океанских течений и атмосферных условий. Понимание их поведения имеет важное значение для прогнозирования будущего повышения уровня моря и оценки стабильности глобальной климатической системы. В этой статье рассматриваются структура, динамика и глобальное значение антарктических ледяных щитов, с акцентом на факторы, влияющие на их стабильность, и исследовательские усилия, направленные на мониторинг их изменений.

Обзор антарктических ледяных щитов

Антарктический ледяной щит состоит из двух основных компонентов: Восточно-Антарктического ледяного щита (EAIS) и Западно-Антарктического ледяного щита (WAIS). Эти два ледяных щита разделены Трансантарктическими горами, горным хребтом, который охватывает континент. EAIS является более крупным из двух, охватывающим около 10 миллионов квадратных километров и содержащим примерно 53 метра эквивалента уровня моря. WAIS меньше, но более уязвим к изменению климата, держа около 3,3 метра эквивалента уровня моря. Вместе эти ледяные щиты образуют массивный резервуар замерзшей воды, который накопился за миллионы лет.

Восточно-Антарктический ледяной щит

EAIS — это ледяной щит высокого уровня, который находится на континентальном кратоне, что делает его относительно стабильным по сравнению с его западным аналогом. Ледяная поверхность поднимается на более чем 4000 метров над уровнем моря в некоторых районах, а толщина льда может превышать 4800 метров в самых глубоких частях. EAIS характеризуется медленным ледотоком и холодным, сухим климатом. Скорость накопления снега низкая, а ледяной щит находится в почти равновесии с текущим климатом. Однако недавние исследования показывают, что части EAIS, особенно Подледниковый бассейн Авроры и регион ледника Тоттен, демонстрируют признаки истончения и увеличения потери льда. В то время как EAIS традиционно считается «стабильным» ледяным щитом, появляющиеся данные указывают на то, что он может быть более чувствительным к теплым океанским водам, чем считалось ранее.

Западно-Антарктический ледяной щит

WAIS — это морской ледяной щит, то есть большие участки его заземления находятся ниже уровня моря. Это делает его по своей сути нестабильным, потому что теплая океанская вода может подрезать шельфовые ледники и вызвать быстрое отступление. WAIS покоится на дне, который склоняется вниз внутри страны, конфигурация, которая может привести к нестабильности морского ледяного щита. Если заземление отступает, то он подвергает океан более толстому льду, ускоряя скорость отступления. WAIS осушается несколькими крупными ледниками, включая ледник Пайн-Айленд и ледник Туэйтса, которые являются одними из самых быстро меняющихся ледников в Антарктиде. Эти ледники испытали значительное истончение и ускорение за последние несколько десятилетий, что в значительной степени способствует глобальному повышению уровня моря.

Формирование и структура ледяных щитов

Антарктические ледяные щиты начали формироваться примерно 34 млн лет назад во время эоцено-олигоценового перехода. Открытие пролива Дрейка и развитие Антарктического циркумполярного течения изолировали континент от более теплых океанских вод, позволив накапливаться льду. За миллионы лет снег уплотнился в пряжу, а затем в ледниковый лед, создав слои, которые фиксируют климатическую историю Земли. Ледяные щиты лежат под сложным подледниковым ландшафтом, включающим в себя горные хребты, долины и подледниковые озера. Самым большим из этих озер является озеро Восток, которое лежит под около 4 км льда и было изолировано от атмосферы на протяжении миллионов лет.

Внутренняя структура ледяных щитов характеризуется ледяными слоями, имеющими различные физические свойства. Верхние слои состоят из нитей низкой плотности, а более глубокие слои — из плотного, прозрачного льда. Лед деформируется под собственным весом, текущая из недр к побережью. Скорости ледового потока варьируются от менее 10 метров в год во внутренней части до более 1000 метров в год в быстро движущихся ледяных потоках и отводящих ледниках. Лед сбрасывается в океан либо в виде айсбергов, либо через таяние у основания шельфовых ледников.

Ледяные полы: плавучее расширение

Ледовые шельфы — это плавающие расширения ледяных щитов, которые происходят там, где лед стекает с континента и над океаном. Они играют критическую роль в стабилизации ледяного покрова, обеспечивая запор, который сдерживает поток внутреннего льда. Крупнейшими ледниками в Антарктиде являются шельфовый ледник Росса и шельфовый ледник Фильхнера-Ронна, каждый из которых покрывает площадь, большую, чем Франция. Ледовые шельфы теряют массу за счет отела и базального таяния. Калвинг производит айсберги, некоторые из которых являются массивными табличными айсбергами, которые могут сохраняться годами. Базальное таяние происходит, когда теплая океанская вода циркулирует под шельфовым ледником, таяния нижней части. Этот процесс является ключевым фактором истончения шельфового ледника и может привести к обрушению ледникового шельфа, как это видно на ледяном шельфе Ларсена В в 2002 году.

Глобальное влияние тающего льда

Таяние антарктических ледяных щитов имеет далеко идущие последствия для глобальной климатической системы и человеческих обществ. Наиболее прямое воздействие - повышение уровня моря. Антарктические ледяные щиты содержат достаточно воды, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 58 метров. Даже небольшая часть этой потери льда будет иметь значительные последствия для прибрежных сообществ во всем мире. За последние несколько десятилетий скорость потери льда из Антарктиды ускорилась. По данным НАСА , континент потерял в среднем 118 миллиардов тонн льда в год в период с 2002 по 2017 год, в основном из Западной Антарктиды. Более поздние оценки предполагают, что скорость потери льда увеличилась примерно до 200 миллиардов тонн в год.

Помимо повышения уровня моря, таяние антарктического льда влияет на циркуляцию океана и климатические модели. Пресноводные поступления от таяния льда могут нарушить формирование Антарктической Нижней Воды, плотной, холодной водной массы, которая управляет глобальной циркуляцией океана. Изменения в циркуляции океана могут изменить транспорт тепла, осадки и распределение морских питательных веществ. Кроме того, потеря льда из Антарктиды подвергает более темные океанские воды, которые поглощают больше солнечной радиации и усиливают потепление через положительную петлю обратной связи, известную как обратная связь ледяного альбедо.

Повышение уровня моря

Повышение уровня моря, пожалуй, является наиболее хорошо документированным воздействием таяния ледяного покрова. В глобальном масштабе уровень моря вырос примерно на 20 сантиметров с начала 20-го века, и темпы роста ускоряются. Вклад Антарктиды в этот рост увеличился с примерно 5 процентов в 1990-х годах до более чем 20 процентов сегодня. Если нынешние тенденции продолжатся, Антарктида может стать доминирующим фактором повышения уровня моря к концу века. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) Проекты, что глобальный уровень моря может подняться на 0,6 до 1,1 метра к 2100 году в сценариях с высоким уровнем выбросов, с большим вкладом Антарктиды, если нестабильность ледяного покрова ускорится.

Прибрежные общины уже испытывают последствия повышения уровня моря в виде усиления наводнений, эрозии и вторжения соленой воды. Особенно уязвимы низменные островные государства и дельта-регионы. Крупные города, такие как Нью-Йорк, Шанхай и Мумбаи, могут столкнуться со значительными проблемами, если уровень моря продолжит расти. В некоторых районах осуществляются меры по адаптации, включая морские стены, барьеры для наводнений и управляемый откат, но масштаб проблемы огромен.

Влияние на циркуляцию океана

Образование Антарктической Дноводной Вод происходит в нескольких ключевых регионах вокруг Антарктиды, в том числе в море Уэдделла и море Росса. Этот процесс включает охлаждение и погружение поверхностных вод, которые затем распространяются на север вдоль морского дна. Поступление пресной воды из таяния льда снижает соленость и плотность поверхностных вод, ингибируя процесс погружения. Наблюдения показали, что Антарктическая Нижняя Вода освежается и нагревается в последние десятилетия, указывая на то, что скорость образования донных вод может замедляться. Изменения в формировании донных вод могут влиять на глобальную циркуляцию опрокидывания, которая играет ключевую роль в распределении тепла и углерода вокруг планеты. Замедление этой циркуляции может изменить климатические модели, включая интенсивность муссонов и положение штормовых трасс.

Факторы, влияющие на стабильность ледяного покрова

На стабильность антарктических ледяных щитов влияет сложный набор факторов, которые действуют в разных временных рамках. К ним относятся температура атмосферы, температура океана, подпорка шельфового льда, подледниковая гидрология и внутренняя динамика льда. Понимание того, как эти факторы взаимодействуют, имеет важное значение для прогнозирования будущего поведения ледяных щитов.

Атмосферное потепление

Повышение температуры атмосферы влияет на ледяные щиты в первую очередь за счет увеличения поверхностного таяния. В то время как поверхностное таяние чаще встречается на Антарктическом полуострове, оно может происходить и в других прибрежных регионах. Мельтвотер может просачиваться в слой нитей и замораживаться, или же он может убегать в океан. В некоторых случаях талая вода может стекать через трещины к основанию льда, где она может смазывать дно и ускорять ледоток. Антарктический полуостров пережил одни из самых быстрых на Земле потеплений, с 1950-х годов температура поднималась примерно на 3 градуса Цельсия. Это потепление привело к обрушению нескольких шельфовых ледников, в том числе Ларсена А и Ларсена Б.

Потепление океана

Теплые океанские воды являются основным драйвером потери льда из Западной Антарктиды. Кругополярная глубокая вода, относительно теплая водная масса, течет на континентальный шельф и в полости под шельфовыми ледниками. Эта вода тает лед снизу, истончая шельфовые ледники и уменьшая их способность усиливать поток внутреннего льда. Заземляющая линия, где ледяной щит теряет контакт с кроватью и начинает плавать, отступает по мере того, как ледник Западная Антарктида, ледник Пайн-Айленда и ледник Твейтса особенно уязвимы, потому что они сидят на ретроградном склоне кровати, что означает, что кровать углубляется внутри страны. Эта конфигурация может привести к беглому отступлению, если заземляющая линия пересекает критический порог. Ученые ввели термин «морской ледяной щит неустойчивость» для описания этого процесса.

Ледяной шельф

Ледовые шельфы выступают в качестве опор, сдерживающих поток внутреннего льда. При наличии шельфового ледника обеспечивается обратный стресс, замедляющий подпитывающие его ледовые потоки. Если ледовый шельф истончается или разрушается, то этот подкрепляющий эффект уменьшается, а внутренний ледовый шельф ускоряется. Потеря ледникового шельфа Ларсена В в 2002 году привела к 3-8-кратному увеличению потока питавших его ледников. Аналогичным образом, истончение шельфовых ледников Пайн-Айленда и Туэйтса привело к ускорению и отступлению линии заземления. Стабильность шельфовых ледников зависит от их толщины, наличия ледниковых подъемов и точек прижима, а также температуры океанской воды под ними.

Подледниковая гидрология и условия для постели

Условия у основания ледяного покрова играют решающую роль в определении скоростей ледового потока. Там, где ложе теплое и влажное, лед может легче скользить, приводя к более быстрому течению. Подледниковые озера, такие как в системе ледового потока Уилланса, могут периодически стекать и вызывать импульсы быстрого движения льда. Распределение подледниковой воды контролируется топографией ложа и геотермальным тепловым потоком. В некоторых регионах высокий геотермальный тепловой поток может держать кровать теплой, даже если поверхность холодная. Понимание подледниковой среды является сложной задачей, потому что прямые наблюдения ограничены, но сейсмические исследования, радиолокационные измерения и спутниковые данные дают новые идеи.

Ключевые регионы беспокойства

В то время как весь антарктический ледяной щит представляет научный интерес, некоторые регионы привлекли особое внимание из-за их быстрых изменений и потенциала для большого вклада в повышение уровня моря. Сектор Амундсенского моря Западной Антарктиды, который включает ледники Пайн-Айленда и Твейтса, часто упоминается как «слабое подбрюшье» ледника. Эти ледники являются одними из самых быстротекущих в Антарктиде и испытывают одни из самых высоких показателей потери льда. Ледник Твейтса, в частности, был назван «ледником Судного дня» из-за его потенциала поднять уровень моря примерно на 0,6 метра, если он полностью рухнет, и потенциально больше, если он вызовет коллапс соседних ледников.

В Восточной Антарктиде ледник Тоттен является главной проблемой. Этот ледник истощает часть подледникового бассейна Авроры, которая содержит примерно 3,5 метра эквивалента уровня моря. Ледник Тоттен уязвим для теплой океанской воды, которая достигает линии заземления через глубокое желоб. Наблюдения показали, что ледник истончается, а его линия заземления отступила в последние годы. Другие интересные регионы включают шельф Гетца, шельф Росса и шельф Фильхнера-Ронна, каждый из которых играет уникальную роль в стабильности ледяных щитов.

Мониторинг и исследовательские усилия

Мониторинг антарктических ледяных щитов — это масштабное предприятие, требующее сочетания спутникового дистанционного зондирования, полевых наблюдений и численного моделирования. Цель — отслеживание изменений массы ледяного щита, скорости ледового потока, положения заземляющей линии и толщины шельфового ледника. Эта информация используется для улучшения прогнозов будущего повышения уровня моря и понимания процессов, приводящих к потере льда.

Спутниковые миссии

Спутники являются основным инструментом мониторинга ледяных щитов в континентальном масштабе. GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) и миссии GRACE-FO измеряют изменения гравитационного поля Земли, которые могут быть использованы для определения изменений массы ледяного покрова. Эти миссии обеспечивают непрерывный учет потери массы из Антарктиды с 2002 года. Миссии ICESat и ICESat-2 используют лазерную альтиметрию для измерения изменений высоты ледяной поверхности, предоставляя данные высокого разрешения об изменениях толщины ледяного покрова. Миссии Sentinel-1 и RADARSAT-2 предоставляют радиолокационные данные, которые могут использоваться для отслеживания скоростей ледового потока и позиций на линии заземления. Вместе эти спутниковые миссии образуют комплексную систему мониторинга.

Полевые наблюдения

Полевые наблюдения необходимы для калибровки спутниковых данных и понимания процессов, которые приводят к поведению ледяного покрова. Исследователи развертывают GPS-приемники на ледяной поверхности для измерения скоростей и деформации ледяного потока. Ледопроникающий радар используется для картирования топографии ледяного покрова и внутренних слоев ледяного покрова. Ледяные ядра просверливаются для извлечения образцов древних ледяных и воздушных пузырей, обеспечивая запись прошлых климатических условий. Океанографические приборы сублёд развертываются через скважины для измерения температуры и солености океанских вод под ледяными шельфами. Эти наблюдения являются сложными и дорогостоящими, но они предоставляют критические данные, которые не могут быть получены из космоса.

Численное моделирование

Численные модели используются для моделирования поведения ледяных щитов и прогнозирования будущих изменений. Эти модели включают физику ледового потока, взаимодействия между ледяным щитом и океаном и воздействие климатических факторов. Современные модели включают Параллельную модель ледяного щита (PISM), Модель системы ледяного щита (ISSM) и Модель ледового щита сообщества (CISM). Эти модели используются для оценки вероятности нестабильности морского ледяного щита и количественной оценки диапазона возможных вкладов повышения уровня моря из Антарктиды. Прогнозы этих моделей связаны со значительными неопределенностями, особенно в отношении сроков и величины коллапса ледяного щита. Снижение этих неопределенностей является основной целью исследовательского сообщества.

Будущие прогнозы

Прогнозирование будущего поведения антарктических ледяных щитов является сложной научной задачей. Шестой оценочный доклад МГЭИК содержит ряд прогнозов вклада Антарктиды в повышение уровня моря к 2100 году, от примерно 5 сантиметров при сценариях с низким уровнем выбросов до более 40 сантиметров при сценариях с высоким уровнем выбросов. Эти прогнозы не включают потенциал быстрого обрушения ледяного щита, что может значительно увеличить. Исследования показывают, что если нестабильность морского ледяного щита будет вызвана, Антарктида может внести более 1 метра в повышение уровня моря к 2100 году и несколько метров к 2300 году.

Долгосрочная судьба ледяных щитов зависит от траектории глобальных выбросов парниковых газов. Если выбросы продолжат расти, потепление атмосферы и океана, вероятно, приведет к увеличению потерь льда из Антарктиды. Если выбросы резко сократятся, то возможно будет замедлить или даже остановить отступление ледяных щитов. Однако некоторые процессы, такие как отступление линии заземления в Западной Антарктиде, уже могут быть необратимыми в человеческих временных рамках. Выбор, сделанный в ближайшие десятилетия, определит степень таяния ледяного щита и связанного с этим повышения уровня моря на века вперед.

Заключение

Антарктические ледяные щиты являются крупнейшими ледниковыми формами на Земле и играют центральную роль в глобальной климатической системе. Они хранят огромное количество пресной воды, и их таяние имеет прямые последствия для уровня моря, циркуляции океана и климатических моделей. Ледяные щиты являются динамическими системами, которые реагируют на изменения температуры, океанских течений и атмосферных условий. Недавние наблюдения выявили ускорение потери льда, особенно в Западной Антарктиде, что вызывает обеспокоенность по поводу будущего повышения уровня моря. Мониторинг и исследовательские усилия, включая спутниковые миссии, полевые наблюдения и численное моделирование, дают новое понимание поведения ледяного щита. Однако сохраняются значительные неопределенности, особенно в отношении потенциала быстрого обрушения ледяного щита. Будущее антарктических ледников тесно связано с глобальной климатической политикой, что делает их исследование вопросом глубокой важности для человечества.