Значение ледниковых форм в понимании изменений уровня моря

Геологический архив климатического прошлого Земли

Ледниковые формы рельефа являются не только живописными особенностями высокогорных и альпийских ландшафтов; они являются одними из самых прочных и информативных архивов климатической истории Земли. Эти физические особенности, вылепленные продвижением, отступлением и таянием ледников, кодируют подробные записи прошлых объемов льда, температур и, что критически важно, колебаний уровня моря. Расшифровывая морфологию, распределение и седиментологию ледниковых форм рельефа, геологи и климатологи могут с замечательной точностью реконструировать сроки и величину прошлых изменений уровня моря. Эти знания необходимы для контекстуализации текущих темпов потери льда и для улучшения прогнозов будущего повышения уровня моря в сценариях потепления.

Ледниковые формы суши обеспечивают прямое физическое свидетельство того, где когда-то стоял лед и как он вел себя. Когда ледники расширяются, они запирают огромное количество пресной воды на суше, вызывая падение глобального уровня моря. Когда они тают, эта вода возвращается в океан, повышая уровень моря. Оставшиеся формы суши — морены, фьорды, вымывные равнины, барабанные перемычки и поднятые береговые линии — регистрируют геометрию и объем бывших ледяных масс. Путем картирования и датирования этих особенностей исследователи могут оценить, сколько льда присутствовало в ключевые периоды, такие как последний ледниковый максимум (LGM) около 26 000–19 000 лет назад, и как быстро он таял во время последующего оледенения. Эта информация поступает непосредственно в модели, которые предсказывают, как ледяные щиты в Гренландии и Антарктиде будут реагировать на продолжающееся потепление.

Поэтому понимание значения ледниковых форм рельефа не является абстрактным академическим занятием; это практическая необходимость подготовки прибрежных сообществ, инфраструктуры и экосистем к предстоящим изменениям. Ниже мы исследуем основные категории ледниковых форм рельефа, механизмы, связывающие их с уровнем моря, и последствия для современной науки о климате.

Формирование и классификация ледниковых форм

Ледниковые формы рельефа в целом делятся на две категории: эрозионные и осажденные. Эрозионные особенности вырезаются измельчением и выщипыванием движущегося льда, а осаждения строятся из осадка, который транспортируют и выпускают ледники. Оба типа дают дополнительные подсказки о динамике прошлого льда и истории уровня моря.

Эрозионные ледниковые формы

Эрозионные формы рельефа раскрывают направление, толщину и тепловой режим бывших ледяных масс. Некоторые из наиболее диагностических включают:

U-образные долины: В отличие от V-образных долин, вырезанных реками, ледниковые впадины имеют широкие, плоские полы и крутые, часто похожие на скалы стороны. Форма отражает боковую эрозию стен долины льдом и эффективную транспортировку обломков. Глубина и ширина U-образных долин может указывать на толщину занимавшего их ледника, что в свою очередь относится к объёму льда, хранящегося на суше.
Фьорды:] Это U-образные долины, которые были погружены в постледниковый подъем уровня моря. Фьорды встречаются в высокоширотных регионах, таких как Норвегия, Чили, Новая Зеландия и Британская Колумбия. Их глубина — часто превышающая 1000 метров — отмечает максимальную степень ледниковой эрозии ниже уровня моря. Наличие подводного подоконника в устье многих фьордов, состоящего из устойчивых пород или морских отложений, регистрирует положение конца ледника и обеспечивает минимальное ограничение на прошлом уровне моря относительно ледяного поля.
Цирки: Чашеобразные впадины у голов горных долин, цирки образуются вращательным движением льда и заморозками. Их возвышение и ориентация чувствительны к прошлым высотам снежной линии, которые контролируются температурой и осадками. Высоты циркового пола могут использоваться для реконструкции прошлых высот равновесной линии и, в дальнейшем, региональных климатических условий.
Ареты и рога: Острые, острые хребты (arêtes) и пирамидальные вершины (horns) образуются там, где ледниковая эрозия действует на нескольких сторонах горы. Эти особенности указывают на интенсивное, устойчивое оледенение и помогают очертить геометрию бывших ледяных полей.
Стриции и ледниковая полировка: Скретчи и гладкие поверхности на коренной породе фиксируют направление потока льда и наличие подледникового мусора.Стриационные узоры могут использоваться для реконструкции векторов ледового потока, которые необходимы для моделирования динамики ледяного покрова и баланса массы.

Депозиционные ледниковые формы суши

Депозиционные формы рельефа состоят из обломков горных пород (дождевых) и стратифицированных отложений (вымывных), которые оставляют ледники. Они особенно ценны для датирования прошлых ледовых полей и оценки объемов талой воды:

Морские хребты:] Это хребты или курганы до отложения на краях ледника.Терминальные морены отмечают самое дальнее продвижение льда, в то время как боковые и рецессионные морены фиксируют позиции во время отступления. По радиоуглеродному датированию органического материала в связанных отложениях или с использованием космогенного нуклеидного датирования на валунах ученые могут определить, когда была сформирована морена. Размер и состав морен также дают подсказки о скорости льда и продолжительности ледяного погружения.
Барабаны: Обтекаемые, каплевидные холмы до тех пор, пока они не образуются под быстро движущимся льдом. Их длинные оси указывают направление потока, а их внутренняя структура отражает подледниковую среду.Барабаны поля связаны с периодами быстрого движения льда, что может привести к быстрому сокращению ледяных щитов и соответствующим изменениям уровня моря.
Лесочники:] Длинные извилистые хребты песка и гравия, осаждаемые талыми реками, текущими внутри или под ледниками.Эскиры отмечают дренажные пути подледниковых талых вод. Объем и размер зерна отложений эскера могут использоваться для оценки скорости сброса талых вод, которые непосредственно связаны с скоростью таяния льда и вкладом уровня моря.
Камес и каме-террасы: Нерегулярные курганы и террасы, образованные осадочными породами, накапливающимися в углублениях на льду или против него. Они указывают на застой или медленно отступающий лед и дают снимки процессов осаждения талой воды.
Площади для вымывания (сандуры): Широкие, мягко наклонные равнины из стратифицированного песка и гравия, осаждаемые талыми потоками за пределами ледяного покрова. Степень и объем осадочных отложений равнин для вымывания фиксируют общее количество талой воды, выделяемой во время оледенения. Большие равнины для вымывания, такие как в Исландии и Аляске, напрямую связаны с периодами быстрого повышения уровня моря.

Ледниковые морские формы суши

В регионах, где ледники заканчиваются в океане, на границе ледово-океанского побережья развивается отличительный набор рельефов.

Клипы наземных зон: Осадочные отложения, образующиеся на линии, где заземленный лед переходит в плавающий лед. Их геометрия фиксирует толщину ледяного покрова и положение заземляющей линии, что является критическим контролем стабильности ледяного покрова на морской основе.
Мельтовые каналы на континентальном шельфе: Погружные каналы, вырезанные подледниковой талой водой, которая сбрасывается на ледяной кромке. Эти особенности свидетельствуют о прошлых талых импульсах, входящих в океан во время оледенения.
Ледяные обломки: Камни и осадочные породы, переносимые айсбергами и сбрасываемые на морское дно по мере таяния айсбергов.Распределение и состав обломков, сплавленных на льду в морских осадочных кернах, документируют скорость откалывания айсбергов и пути дрейфа айсбергов, оба из которых связаны с потерей массы ледяного покрова и повышением уровня моря.

Вместе эти рельефы создают всеобъемлющий отчет о ледниковой истории, который можно прочитать на ландшафте и морском дне.

Ледниковые формы суши как прокси для прошлых уровней моря

Один из самых прямых способов, которым ледниковые формы информируют науку об уровне моря, заключается в идентификации и датировании бывших береговых линий. Когда тают ледяные щиты, твердая Земля медленно отскакивает от веса удаленного льда - процесс, называемый ледниковой изостатической регулировкой (GIA). Между тем, океанская вода перераспределяется глобально. Сочетание этих процессов создает сложную картину относительного изменения уровня моря, которая варьируется в зависимости от местоположения.

Поднятые пляжи и морские террасы

Поднятые пляжи — бывшие береговые линии, которые сейчас находятся над нынешним уровнем моря. Они формируются, когда земля поднимается быстрее, чем океан, или когда уровень моря падает из-за роста ледяного покрова. Поднятые морские террасы с хорошо сохранившимися пляжными хребтами, раковинами или торфяными отложениями обеспечивают прямые измерения прошлых позиций уровня моря. Датируя эти особенности с помощью методов радиоуглеродной или урановой серии, исследователи строят относительные кривые уровня моря, которые показывают, как уровень моря менялся на протяжении тысячелетий.

На побережьях, которые были сильно оледеневшими, таких как Шотландия, Скандинавия и Гудзонов залив, возвышенности могут быть найдены на сотни метров выше текущего уровня моря. Эти возвышенности отражают огромную толщину бывших ледяных щитов - до 3 км в местах - и медленное восстановление земной коры, которое продолжается сегодня. Напротив, в отдаленных местах, далеких от бывших ледяных щитов, таких как Барбадос и Таити, поднятые коралловые рифы регистрируют эвстатические (глобальные) изменения уровня моря с минимальным местным тектоническим влиянием.

Стриации и тримлайны

Тримлины — это границы на горных склонах, которые отделяют ледниковую скалу сверху от выветрившейся или покрытой почвой породы внизу. Они отмечают максимальную вертикальную протяженность ледника. Путем картирования тримлинов и сопряжения их с полосовыми направлениями ученые могут реконструировать трехмерную геометрию бывших ледяных масс и рассчитать их объем. Разница между объемом на ЛГМ и сегодня дает оценку общего эквивалента уровня моря (СКВ) воды, хранящейся в этих ледяных массах. Например, объем ЛГМ льда соответствовал падению уровня моря примерно на 120—130 м по сравнению с настоящим.

Ледяные осадки и уровень моря

Морские осадочные керны, содержащие слои обломков, сплавленных льдом (IRD), регистрируют эпизоды повышенного отела айсберга. Эти события Генриха, названные в честь исследователя, который впервые их идентифицировал, связаны с всплесками Лаврентийского ледяного щита и соответствуют быстрым событиям повышения уровня моря на несколько метров в столетие. Повторение слоев IRD в североатлантических отложениях демонстрирует, что ледяные щиты могут подвергаться резким, нелинейным коллапсам - находка, которая имеет прямое отношение к прогнозам потери льда Гренландии и Антарктики при продолжающемся потеплении.

Механизмы, связывающие ледники и изменение уровня моря

Взаимосвязь между ледниковыми формами рельефа и уровнем моря опосредована несколькими геофизическими и климатологическими механизмами.Понимание этих механизмов имеет важное значение для перевода наблюдений за рельефом суши в количественные оценки уровня моря.

Ледниковая изостатическая коррекция

Когда ледяные щиты растут, вес льда угнетает земную кору в подстилающую мантию. И наоборот, когда лед тает, кора отскакивает вверх - процесс, который продолжается тысячи лет после оледенения. Это вертикальное движение изменяет местный относительный уровень моря. Например, в районах, которые были под центром Лаврентийского ледяного щита, таких как Гудзонов залив, относительный уровень моря упал более чем на 250 м с момента оледенения, даже когда глобальный уровень моря поднялся. Модели GIA, которые включают данные о рельефе суши, необходимы для коррекции приливных датчиков и спутниковых высотомерных измерений, чтобы изолировать климатический компонент изменения уровня моря.

Мельтвотерные пульсы и отпечатки пальцев на уровне моря

Сброс талой воды из ледяных щитов не поднимает уровень моря равномерно. Вместо этого гравитационные, вращательные и деформационные эффекты перераспределения водной массы создают пространственные закономерности, известные как отпечатки пальцев уровня моря. Например, талая вода из ледяного щита Гренландии поднимает уровень моря больше в Южном полушарии, чем вблизи самой Гренландии. Ледниковые формы, которые регистрируют время и величину сбросов талой воды из конкретных ледяных щитов, таких как морены и вымывные равнины ледяного щита Фенноскандии, позволяют ученым тестировать и калибровать модели отпечатков пальцев уровня моря.

Роль динамики ледяного покрова

Наличие ледниковых рельефов, таких как клинья зон заземления и каналы талой воды на континентальных шельфах, указывает на то, что прошлые ледяные щиты были чувствительны к океаническому потеплению. Когда теплая вода достигает линии заземления морского ледяного щита, это может вызвать быстрое отступление и истончение. Этот процесс, наблюдаемый сегодня в частях Западной Антарктиды, оставляет характерную сигнатуру рельефа суши: рисунок параллельных рельефов отступления на морском дне. Сопоставляя эти особенности и датируя их радиоуглеродом на связанных отложениях, ученые могут реконструировать прошлые темпы отступления ледяного щита и количественно оценить вклад уровня моря.

Ключевые геологические записи и тематические исследования

Несколько регионов предлагают особенно поучительные примеры того, как ледниковые формы суши использовались для понимания изменений уровня моря.

Лёдный лист Лорантида

Лёдный щит Лорантида, который покрывал большую часть Канады и северных Соединенных Штатов на LGM, содержал достаточно льда, чтобы снизить глобальный уровень моря примерно на 70 м. Его отступление оставило богатый архив рельефов, включая Великие озера (ледниковые бассейны), барабанные поля Нью-Йорка и Висконсина и обширные равнины реки Миссисипи. Радиоуглеродные даты на органическом веществе из озер, которые сформировались в ледяных блоках (чайниковые озера), были использованы для построения хронологии оледенения с высоким разрешением. Эта хронология показывает, что ледяной щит таял в импульсах, со скоростью повышения уровня моря иногда превышающей 4 см в год - намного быстрее, чем текущая скорость около 3,3 мм в год.

Фенноскандский ледяной щит

Фенноскандский ледяной щит покрывал Скандинавию и части северной Европы. Его отступление произвело одни из самых изученных в мире возвышенных пляжей, особенно вдоль берегов Швеции и Финляндии. Самые высокие возвышенные пляжи в Скандинавии достигают примерно 290 м над нынешним уровнем моря, фиксируя огромную толщину льда. Образец изостатического отскока был измерен с точностью с помощью GPS-инструментов, подтверждая, что GIA продолжается и сегодня и вносит небольшой, но значительный сигнал региональным тенденциям уровня моря.

Антарктида и Гренландия

В Антарктиде и Гренландии ледниковые формы суши в значительной степени скрыты под нынешними ледяными щитами, но геофизические методы, такие как радиолокационное зондирование, показывают подледниковые формы суши, которые регистрируют динамику льда в прошлом. Подледниковые горы, долины и бассейны формируют поток накладывающегося льда и влияют на то, как ледяные щиты будут реагировать на потепление. На континентальных шельфах, окружающих оба ледяных щита, морские геофизические исследования нанесли на карту огромные морские системы и клинья заземления, которые демонстрируют расширение ледяного щита в прошлом до края шельфа. Численные модели, которые включают эти данные о форме суши, показывают, что Антарктический ледяной щит способствовал повышению уровня моря примерно на 10-15 м во время последнего оледенения и что большая часть этого вклада пришла из быстрого отступления в секторе моря Амундсена - тот же регион, который испытывает самое быстрое истончение сегодня.

Последствия для современных климатических прогнозов

Изучение ледниковых форм рельефа не просто ретроспективное; оно непосредственно информирует о прогнозах будущих изменений уровня моря и помогает направлять планирование адаптации.

Совершенствование климатических моделей

Данные о ледниковых рельефах служат в качестве граничных условий и целей валидации для моделей ледяного покрова и климата. Например, наблюдаемая картина позиций морен в Северной Америке использовалась для проверки способности моделей ледяного покрова моделировать продвижение и отступление ледяного покрова Лорантида. Модели, которые правильно воспроизводят сроки и степень образования морен, считаются более надежными для прогнозирования будущего поведения ледяного покрова. Аналогично, данные о прошлых импульсах талой воды, полученные из вымывных равнин и морских осадочных кернов, используются для калибровки отношений между воздействием климата, таянием льда и реакцией уровня моря.

Мониторинг текущих ледниковых форм

Активные ледниковые формы рельефа дают немедленную информацию о происходящих процессах. Например, равнины перед отступающими ледниками на Аляске и в Исландии растут по мере того, как талая вода доставляет осадок. Измеряя объем осадков, осевших в этих системах каждый год, ученые могут оценить общий сброс талой воды и, соответственно, потерю массы ледника. Дистанционные датчики, включая спутниковые снимки и LiDAR, теперь позволяют исследователям отслеживать изменения ледниковых форм рельефа с беспрецедентным разрешением. Эти измерения подпитывают оперативные оценки состояния ледников и вклада уровня моря.

Сценарии повышения уровня моря в будущем

Геологическая летопись ледниковых рельефов обеспечивает исходную линию для оценки того, что возможно для будущего повышения уровня моря. Тот факт, что Земля пережила многометровое повышение уровня моря в течение веков, как это было зафиксировано поднятыми береговыми линиями и морскими террасами, показывает, что ледяные щиты способны к быстрому нелинейному отступлению. Эти знания информируют о «высоких» сценариях, используемых прибрежными планировщиками и политиками. Например, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) отмечает, что нестабильность морского ледяного утеса в Антарктиде может привести к повышению уровня моря на несколько метров на 2300, если потепление продолжится без проверки. Доказательства прошлых ледниковых рельефов подтверждают правдоподобность таких сценариев.

Заключение

Ледниковые формы суши гораздо больше, чем геологические курьезы; они являются основным источником эмпирических доказательств для понимания того, как ледяные щиты и уровень моря взаимодействуют с течением времени. От поднятых пляжей Скандинавии до подводных морен Антарктиды, эти особенности фиксируют ритм ледникового продвижения и отступления, объем хранимой и высвобождаемой воды и реакцию твердой Земли на изменение ледяных нагрузок. Интегрируя наблюдения за рельефом с геофизическими моделями и современным мониторингом, ученые строят все более подробную и количественную картину прошлых изменений уровня моря и получают предвидение, необходимое для навигации по будущим.

По мере того, как потепление продолжает приводить к потере льда из Гренландии, Антарктиды и горных ледников во всем мире, уроки, заложенные в ледниковых рельефах, никогда не были более актуальными. Они напоминают нам, что ледяные щиты чувствительны к климатическим воздействиям, что уровень моря может быстро расти и что ландшафты, которые мы видим сегодня, являются продуктом процессов, которые сформировали Землю в течение миллионов лет. Постоянные инвестиции в ледниковую геоморфологию и морскую геологию необходимы для оттачивания прогнозов, от которых зависят сообщества во всем мире.

Для дальнейшего чтения, проконсультируйтесь с IPCC Шестой оценочный доклад для последних прогнозов, изучить USGS повышение уровня моря ресурсов для прибрежной науки, и обзор исследования антарктических заземления-зоны формы рельефа, опубликованные в природе для подробных тематических исследований, связывающих формы рельефа с динамикой льда.