Table of Contents

Что такое ледяные щиты? Гиганты криосферы

Ледяные щиты представляют собой огромные массы ледникового льда континентального масштаба, которые покрывают тысячи квадратных километров, закапывая подстилающую местность. Они определяются их размером: любая масса льда, превышающая 50 000 квадратных километров, классифицируется как ледяной щит. Сегодня на Земле остаются только два: Гренландский ледяной щит и Антарктический ледяной щит . Вместе они удерживают около 99% пресноводного льда планеты и, если полностью растаять, поднимут глобальный уровень моря примерно на 65 метров. В отличие от морского льда, ледяные щиты образуются на суше через накопление и уплотнение снега на протяжении тысячелетий. Их огромный вес заставляет их медленно вытекать наружу под собственной гравитацией, вырезая ландшафты и формируя глобальные климатические модели.

Ледяные щиты не являются статическими; они представляют собой динамические системы, которые реагируют на атмосферные и океанические изменения. Их поведение изучается с помощью комбинации полевых наблюдений, спутникового дистанционного зондирования и компьютерного моделирования. Понимание ледяных щитов имеет решающее значение, поскольку они действуют как банки памяти прошлых климатов и как драйверы будущего повышения уровня моря . Следующие разделы углубляются в их формирование, древние секреты, запертые в их льду, их роль в качестве современных климатических часовых, и драматические изменения, наблюдаемые в последние десятилетия.

Древние ледяные коры: чтение климатического отчета

Как ледяные коры извлекаются и консервируются

Ледяные керны представляют собой цилиндрические образцы, пробуренные из ледяных щитов, часто достигающие глубины нескольких километров. Буровые проекты, такие как Greenland Ice Core Project (GRIP) , North Greenland Ice Core Project (NGRIP) , и European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)], получили непрерывные климатические записи, охватывающие сотни тысяч лет. Процесс бурения кропотливый: вращающаяся полая дрель прорезает лед, и каждый сегмент выводится на поверхность в защитной трубке. Ядра хранятся в холодных помещениях при температурах ниже -20 ° C, чтобы предотвратить таяние или загрязнение. Каждый годовой слой во льду виден как полоса — как кольца деревьев — но намного старше. Более глубокие слои сжимаются и истончаются по мере увеличения давления перегрузки, требуя точных методов датирования с использованием моделей ледового потока и маркеров вулканического пепла.

Что нам говорят пузыри: история атмосферы

Застрявшие во льду крошечные пузырьки воздуха, которые сохраняют образцы древней атмосферы. Путем дробления льда под вакуумом и анализа состава газа ученые могут непосредственно измерять прошлые уровни углекислого газа (CO2) , метана (CH4) и закиси азота (N2O). Эти измерения выявили чрезвычайную корреляцию: за последние 800 000 лет концентрации CO2 колебались между примерно 180 частями на миллион (ppm) во время ледниковых периодов и 280 ppm во время межледниковых периодов. Нынешний уровень, превышающий 420 ppm, является беспрецедентным в этой записи. EPICA Купол C ледяное ядро, опубликованное в 2005 году, продлило рекорд еще на 800 000 лет, показав, что текущая скорость увеличения CO2 по крайней мере в десять раз быстрее, чем любая естественная вариация, наблюдаемая.

В дополнение к парниковым газам, ледяные керны содержат изотопы воды (δ18O и δD), которые служат термометрами. Отношение тяжелых к легким изотопам во льду отражает температуру, при которой снег первоначально падал. Эти температурные реконструкции выравниваются с газовыми записями, подтверждая, что CO2 и температура поднимались и падали вместе через ледниково-межледниковые циклы. Другие примеси, такие как морская соль, пыль, вулканический сульфат и черный углерод, предоставляют информацию о ветровых моделях, засушливости, извержениях вулканов и сжигании биомассы.

Ключевые открытия из ледяных коров

Возможно, самым известным результатом ледяного керна является ледяное керн Восток из Восточной Антарктиды, который в 1990-х годах предоставил первые четкие доказательства того, что CO2 и температура были тесно связаны за последние 420 000 лет. Ядро EPICA отодвинуло это назад к 800 000 лет, и новые проекты направлены на достижение 1,5 миллиона лет. Эти ядра также показали, что межледниковые периоды — такие, как тот, в котором мы находимся сейчас — обычно длятся от 10 000 до 30 000 лет, но текущее межледниковое состояние уже длилось 11 700 лет. Возмущение человека парниковыми газами может отсрочить следующий ледниковый период на неопределенный срок.

Еще одна потрясающая находка пришла из ледяных кернов Гренландии, которые выявили быстрые климатические колебания, известные как события Дансгаард-Оешегера . Во время последнего ледникового периода климат в Североатлантическом регионе перевернулся между холодными и теплыми состояниями всего за несколько десятилетий — напоминание о том, что климатическая система может резко измениться. Ледяные керны также захватили отпечаток крупных вулканических извержений, таких как извержение Тамборы в 1815 году, которое произвело отчетливый слой сульфата, который помогает точно датировать ядра. В последние десятилетия ледяные керны начали регистрировать сигнал человеческой деятельности: повышение уровня стойких загрязнителей, радиоактивные осадки от ядерных испытаний и изотопный отпечаток сжигания ископаемого топлива.

Ледяные щиты как современные климатические индикаторы

Измерение пульса льда

Современная спутниковая технология произвела революцию в нашей способности контролировать ледяные щиты. Используются три основных метода: спутниковая альтиметрия (измерение изменений высоты поверхности), гравиметрия (измерение изменений массы с помощью миссий GRACE и GRACE-FO) и метод ввода-вывода (сравнение накопления снега с сбросом льда в океан). Каждый метод имеет сильные и слабые стороны, но вместе они рисуют последовательную картину: оба ледяных щита теряют массу с ускоряющейся скоростью.

Спутниковая миссия FLT:0 GRACE (2002-2017) и ее последующая миссия GRACE-FO обеспечили наиболее прямую меру изменения массы ледяного покрова. Обнаружив крошечные изменения в гравитационном поле Земли, эти спутники могут оценить, сколько льда теряется или приобретается. Данные показывают, что Гренландия теряет в среднем около 280 гигатонн в год за последнее десятилетие, в то время как Антарктида теряет около 150 гигатонн в год. Для контекста, одна гигатонна льда равна одному миллиарду тонн, а 360 гигатонн поднимает глобальный уровень моря примерно на один миллиметр.

Сети обратной связи, которые ускоряют изменения

Ледяные листы не являются пассивными жертвами потепления; они активно создают обратную связь, которая может усиливать таяние. Наиболее известным является обратная связь альбедо. Льды и снег имеют высокое альбедо, то есть они отражают большую часть энергии солнца обратно в космос. По мере повышения температуры лед тает, выявляя более темные поверхности (океан, голая скала или влажный снег), которые поглощают больше солнечного излучения, вызывая дальнейшее таяние. На ледяном щите Гренландии этот эффект наблюдается особенно в зоне абляции, где поверхность темнеет из-за роста темно-пигментированных водорослей.

Другой важный обратный эффект включает в себя потепление океана. Многие выходные ледники в Гренландии и Антарктиде заканчиваются в океане, где теплые водные течения могут растопить лед снизу. Этот процесс, известный как , разрежает плавучие шельфовые ледники, которые укрепляют заземленный ледяной щит. Когда ледниковый шельф истончается или разрушается, ледники за ним ускоряются, выбрасывая больше льда в океан. Обрушение Ларсен B Ледниковый шельф в Антарктиде в 2002 году предоставило драматический пример: ледники, которые питали его, ускорились в два-шесть раз в течение нескольких месяцев.

Вклад в повышение уровня моря

Таяние ледяного покрова в настоящее время является доминирующим фактором повышения уровня моря в мире, превышая вклад ледников и теплового расширения морской воды. Согласно Шестому отчету об оценке МГЭИК (AR6) , ледяные покровы способствовали повышению уровня моря примерно на 20 миллиметров с 1992 года, и скорость увеличивается. В сценариях с высоким уровнем выбросов совокупный вклад Гренландии и Антарктиды может превысить 1 метр к 2100 году, причем наибольшая неопределенность исходит от поведения Антарктического ледяного покрова. Некоторые исследования даже предполагают, что части Западно-Антарктического ледяного покрова уже прошли переломный момент, взяв на себя обязательство мира к метрам повышения уровня моря на протяжении веков.

Последние изменения и будущие последствия

Гренландия: быстро мельчащий гигант

Ледяной щит Гренландии пережил некоторые из самых драматических изменений в 21 веке. В июле 2012 года спутниковые данные показали, что поверхностный таяние покрывал почти весь ледяной щит в течение нескольких дней — редкое событие, которое, как ранее думали ученые, происходило только один раз в 150 лет. Такие события таяния стали более частыми; в 2019 году Гренландия потеряла рекордные 532 гигатонны льда. Остров нагревается примерно в два раза больше, чем в среднем по миру, явление, связанное с изменениями атмосферной циркуляции, которые приносят теплый, влажный воздух над ледяным щитом.

Особое внимание привлекли ледники, разрушающие морскую среду в Гренландии, такие как Jakobshavn Isbræ. Якобшавн, считающийся самым быстро движущимся ледником в мире, истончился и ускорился по мере потепления температуры океана. В 2019 году после периода охлаждения ледник снова начал ускоряться. Ледник Петермана в северной Гренландии также потерял большие айсберги (в том числе один в 2010 году, который составлял около 250 квадратных километров), что вызывает обеспокоенность по поводу стабильности его плавучего шельфового ледника. Если ледниковый шельф распадается, заземленный ледник позади него может ускориться, добавив к повышению уровня моря.

«Гренландский ледяной щит не просто тает на поверхности; он также разрушается снизу теплыми океанскими водами, особенно вокруг его краев. Сочетание поверхностного и подводного плавления толкает ледяной щит в состояние быстрого упадка».

Антарктида: Пробуждение спящего гиганта

Антарктида часто описывается как «спящий гигант», потому что она содержит более 26 миллионов кубических километров льда — достаточно, чтобы поднять уровень моря на 58 метров. Континент разделен на три основных бассейна: Восточная Антарктида (самый большой и самый стабильный), Западная Антарктида (где большая часть льда основана на морской основе, покоящейся на коренной породе ниже уровня моря) и Антарктический полуостров (самый быстро нагревающийся регион в южном полушарии).

Западный Антарктический ледяной щит (WAIS) является основным источником беспокойства. Большая часть его находится на скале, которая ниже уровня моря и наклоняется вниз к внутренней части - геометрия, которая делает его уязвимым для процесса, называемого нестабильностью морского ледяного покрова (MISI) . Как только теплая океанская вода достигает линии заземления (где лед поднимается с земли и начинает плавать), он может растопить лед снизу, что приводит к отступлению линии заземления в более глубокую воду, что, в свою очередь, позволяет большему количеству льда течь в море. Ледник Туэйтса, часто называемый ледником Судного дня, является наиболее тщательно наблюдаемым. Он уже теряет около 50 миллиардов тонн льда в год, и его коллапс может вызвать цепную реакцию, которая поднимает уровень моря на 60 сантиметров в течение веков.

Даже восточная Антарктида, долгое время считавшаяся стабильной, показала признаки изменения. Тоттенский ледник, самый большой выходной ледник в Восточной Антарктиде, истончается из-за проникновения теплой воды. В 2019 году исследователи обнаружили глубокие каналы под ледником, которые позволяют теплой воде достигать линии заземления, предполагая, что Восточная Антарктида может быть более уязвимой, чем считалось ранее.

Переломные моменты и необратимость

Одним из наиболее тревожных аспектов динамики ледяного покрова является возможность переломных точек — порогов, за которыми изменения становятся самоподдерживающимися и необратимыми на человеческих временных масштабах. Для Гренландии переломный момент связан с возвышением поверхности: по мере таяния ледяного покрова и его поверхности опускается, он подвергается более теплым температурам на более низких высотах, что ускоряет таяние. Для Западной Антарктиды переломным моментом считается точка, в которой линия заземления отступает мимо отклоняющегося назад слоя, инициируя непреодолимое отступление.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Climate Change (2021) , показало, что даже если глобальное потепление будет ограничено 1,5°C, Западно-Антарктический ледяной щит может привести к долгосрочному повышению уровня моря примерно на 1,8 метра. При более высоких уровнях потепления коллапс может быть спровоцирован быстрее. Лаборатория реактивного движения НАСА продолжает совершенствовать модели, которые включают отказ ледяного утеса — процесс, при котором высокие ледяные утесы на полях разрушающегося шельфового ледника становятся нестабильными и отрываются, высвобождая огромные объемы льда в океан.

Прогнозы на 21 век и далее

IPCC AR6 проекты, которые в соответствии со сценарием с высокими выбросами (SSP5-8.5) повышение уровня моря только из ледяных щитов может достичь 0,64 метра к 2100 году. В том числе вклад ледников и теплового расширения океана, общее повышение уровня моря может приблизиться к 1,0-1,3 метра. В соответствии со сценарием с низким уровнем выбросов (SSP1-1.9), вклад ледяного щита снижается примерно до 0,15 метра. Однако эти прогнозы приходят с большой неопределенностью, поскольку модели ледяного щита еще не полностью учитывают такие процессы, как гидроразрыв (где талая вода на поверхности стекает через трещины и снижает стабильность шельфа) или взаимодействия между ледяными шельфами и океанскими течениями. Национальный центр данных о снеге и льде (NSIDC) обеспечивает постоянный мониторинг и обучение этим процессам.

Почему ледяные щиты важны для человечества

Прибрежные сообщества на передней линии

Более 600 миллионов человек живут в прибрежных районах, которые находятся менее чем на 10 метров над уровнем моря. Крупные города, такие как Нью-Йорк, Шанхай, Мумбаи, Дакка и Джакарта, уже сталкиваются с усилением наводнений от повышения уровня моря, отчасти вызванного таянием ледяного покрова. Даже повышение на 0,3 метра может привести к штормовым волнам, которые могут распространиться дальше на внутренние районы, загрязняя запасы пресной воды и нанося ущерб инфраструктуре. Экономические издержки ошеломляют: по оценкам Всемирного банка, без адаптации ежегодный ущерб от прибрежных наводнений может достичь 1 триллиона долларов к 2050 году.

Меры по адаптации включают строительство морских стен (например, проект MOSE в Венеции или барьер Темзы), возведение зданий, восстановление мангровых зарослей и водно-болотных угодий, а в некоторых случаях, управляемый отступлением — перемещение общин от побережья. Однако адаптация становится экспоненциально более сложной, поскольку повышение уровня моря ускоряется. Приверженность динамики ледяного покрова означает, что некоторое повышение уровня моря уже запекается в систему, даже если выбросы остановятся завтра. Скорость изменений в течение следующих нескольких десятилетий определит, сколько времени общества должны адаптироваться.

Глобальное регулирование климата и циркуляция океана

Ледяные щиты не только пассивные вкладчики в уровень моря; они также влияют на океанские течения и климатические модели. Пресная вода от таяния льда входит в Северную Атлантику и Южный океан, потенциально ослабляя Атлантический меридиональный оборот (AMOC) — океанское течение, которое приносит теплую воду в Северную Атлантику и регулирует европейский климат. Замедление AMOC может вызвать похолодание в Европе, изменения в моделях осадков через тропики и повышение уровня моря вдоль восточного побережья США. Ледяной щит Гренландии является основным источником этого пресноводного возмущения, и модели показывают, что высокие скорости таяния могут значительно снизить силу AMOC к 2100 году.

В Антарктиде талая вода также влияет на образование Антарктическая Нижняя Вода, холодная, плотная водная масса, которая образуется вблизи побережья и приводит к глубокой циркуляции океана. Уже наблюдалось освежение поверхностных вод, что вызывает замедление формирования донных вод. Это может изменить глобальные циклы питательных веществ, поглощение углерода и распределение морской жизни.

Заключение: Императив к действию

Ледяные щиты не просто предмет научного любопытства; они являются фундаментальными компонентами системы Земли, которые непосредственно влияют на человеческую цивилизацию. Древние ледяные керны, извлеченные из их глубин, дали нам беспрецедентный взгляд на прошлый климат и отпечаток человеческого влияния. Современные спутниковые наблюдения показывают с полной ясностью, что эти гиганты меняются быстрее, чем кто-либо ожидал. Каждая тонна выбросов CO2 добавляет к теплу, которое в конечном итоге находит свой путь к ледяным щитам, и последствия - ускоренное повышение уровня моря, нарушение океанских течений и необратимые переломные моменты - уже разворачиваются.

Выбор, сделанный в следующем десятилетии, определит, реализуются ли наихудшие прогнозы. Быстрое сокращение выбросов парниковых газов является наиболее эффективным способом ограничения масштабов и темпов потери ледяного покрова. В то же время продолжение инвестиций в исследования ледяного покрова, мониторинг и моделирование имеет важное значение для уточнения прогнозов и информирования стратегий адаптации. Ледяные покровы являются зеркалом: они отражают не только климат прошлого, но и будущее, которое мы строим сегодня.