Понимание ледников и ледяных щитов

Замороженные области нашей планеты — ее горные ледники и континентальные ледяные щиты — являются динамически развивающимися особенностями, которые служат основным контролем на глобальном уровне моря и регулировании климата. Эти массивные ледяные резервуары хранят примерно 70% пресной воды в мире. В контексте современного изменения климата их поведение сместилось от естественных циклов продвижения и отступления к устойчивой и ускоряющейся модели потери массы. Различие между ледником и ледяным щитом фундаментально: ледники — это текучие тела льда, ограниченные топографией, в то время как ледяные щиты — это купола континентального масштаба, которые хоронят основной ландшафт. Оба теперь реагируют на повышение глобальных температур способами, которые несут прямые последствия для прибрежных сообществ, экосистем и планетарного энергетического баланса.

Физика, управляющая этими системами, хорошо установлена. Накопление происходит через снегопад, а абляция происходит через таяние, отечность и сублимацию. Когда накопление опережает абляцию, ледник или ледяной щит набирает массу. В течение десятилетий ученые измеряли баланс массы этих систем — чистую разницу между выигрышем и убытком. Данные, собранные со спутниковой альтиметрии, гравиметрии и полевых наблюдений, показывают, что планета теряет лед с ускоряющейся скоростью. Последствия этого таяния простираются далеко за пределы полюсов, влияя на все, от погодных условий до доступности водных ресурсов для миллиардов людей.

Основные ледники: глобальный обзор отступления

Горные ледники, хотя и намного меньше ледников Гренландии и Антарктики, являются наиболее заметными индикаторами изменения климата. Они встречаются на всех континентах, кроме Австралии, и поставляют пресную воду сотням миллионов людей. Их отступление почти универсально, за немногими исключениями. Изучение конкретных ледников подчеркивает механизмы работы и региональную изменчивость, присущую миру потепления.

Ледник Якобсхавн и ледники Гренландии

Ледник Якобсхавн в западной Гренландии является одним из самых быстротечных и динамичных ледников на Земле. Он истощает примерно 7% Гренландского ледяного щита и был предметом интенсивного изучения в течение десятилетий. За последние 20 лет Якобсхавн резко ускорился и истончился, удвоив скорость сброса льда до более чем 10 километров в год. Это ускорение обусловлено притоком теплой океанской воды, которая подрывает плавающий язык ледника, уменьшая силу подкрепления, которая замедляет его поток в море. Интересно, что временное охлаждение океанских вод в 2016 году привело к кратковременному замедлению и корректированию, демонстрируя чувствительность ледников приливной воды к даже краткосрочной океанографической изменчивости. Однако, по мере повышения температуры океана, долгосрочная траектория является одной из продолжающегося отступления и потери массы. Якобсхавн вносит примерно 1 миллиметр в столетие к повышению уровня моря - значительное количество для одного ледника.

Ледник Ламберта: Конвейер Восточной Антарктиды

Ледник Ламберта в Восточной Антарктиде — один из крупнейших и самых длинных ледников в мире, протяженностью более 400 километров и сливающим примерно 8% Антарктического ледникового щита. В отличие от быстротекущих отводных ледников Западной Антарктиды, Ламберт остался относительно стабильным. Его массивные размеры и холодные, высокогорные условия его зоны накопления обеспечивают буфер против быстрых изменений. Однако недавние спутниковые исследования показывают, что даже более стабильные сектора Восточной Антарктиды начинают реагировать на потепление температуры океана. Система ледников Ламберта впадает в ледниковый шельф Амери, и изменения циркуляции океана под этим шельфом могут в конечном итоге привести к отступлению линии заземления. Мониторинг Ламберта имеет решающее значение, потому что если Восточная Антарктида начинает терять массу со значительной скоростью, потенциальный вклад в повышение уровня моря огромен.

Стабильная аномалия: ледник Перито Морено

Ледник Перито Морено в Аргентине — примечательный контрпример глобальной тенденции отступления. Расположенный в Южно-Патагонском ледяном поле, он большую часть прошлого века оставался в состоянии почти равновесного движения и откалывания по циклической схеме. Эта стабильность объясняется его уникальной геометрией и балансом масс. Ледник толстый и крутой, вытекающий из зоны накопления высокого подъема. Высокий снегопад в регионе восполняет утраченный через откалывание лед. Стабильность Перито Морено даёт ценные сведения: она показывает, что местные климатические условия, геометрия ледника и динамика откалывания могут создавать временную или долгосрочную стабильность даже в условиях потепления климата. Однако в других местах Патагонии почти все другие ледники испытывают быстрое отступление и истончение, внося значительный вклад в повышение уровня моря.

Третий полюс: ледники Гималаев Индукуша

Помимо знакомых названий полярных регионов, ледники Гималаев Гиндукуша, возможно, являются наиболее значимыми для человеческих популяций. Этот регион, часто называемый Третьим полюсом, содержит самый большой объем льда за пределами Арктики и Антарктиды. Эти ледники питают основные речные системы - Индус, Ганге, Брахмапутра, Янцзы и Меконг - которые снабжают водой более 1,5 миллиарда человек. В Специальном докладе МГЭИК по океану и криосфере IPCC отмечается, что эти ледники отступают с ускорением с начала 2000-х годов. Если текущее потепление продолжится, до двух третей ледников региона могут исчезнуть к концу века. Немедленным воздействием будет не дефицит воды, а скорее увеличение талых озер, которые накапливаются в нестабильных озерах, затопленных мореной. В долгосрочной перспективе сокращение летних талых вод будет совпадать с засушливым сезоном, создавая серьезный водный стресс для сельского хозяйства, гидроэнергетики и питьевого водоснабжения в Южной Азии.

Ледяной покров Гренландии: система трансформации

Ледяной щит Гренландии представляет собой замороженную массу, почти в три раза превышающую размер Техаса, содержащую достаточно льда, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 7,4 метра. Он теряет массу с ускоренной скоростью — в настоящее время примерно 270 миллиардов тонн в год. Эта потеря обусловлена двумя основными механизмами: поверхностный таяние и сток льда и сброс льда в океан. В последние годы поверхностный таяние составляло все большую долю общей потери массы. Теплые, южные воздушные массы принесли дождь и температуры выше замерзания на высокие высоты по ледяному щиту, вызывая широко распространенные события таяния. В 2012 и снова в 2019 году практически вся поверхность ледяного щита испытала таяние. Это создает петлю обратной связи: по мере того, как поверхность льда темнеет из-за пыли, сажи и талой воды, ее альбедо уменьшается, заставляя ее поглощать больше солнечного излучения и таять еще быстрее.

Динамичный сброс льда через выпускные ледники является вторым основным фактором потери массы. По мере того, как океанские воды нагреваются, они тают плавающие ледяные языки, которые сдерживают внутренний лед. Это уменьшает напряжение, позволяя ледникам, таким как Якобсхавн, Хельхайм и Кангерлуссуак, ускоряться и разрежаться, вытягивая лед из внутренних районов. Последствия таяния Гренландии выходят за пределы уровня моря. Вливание холодной пресной талой воды в Северную Атлантику имеет потенциал для ослабления Атлантической меридиональной циркуляции (AMOC), основной системы океанского течения, которая транспортирует теплую воду на север и влияет на глобальные климатические модели. Наблюдения показывают, что AMOC находится в самой слабой точке за более чем тысячелетие, и продолжающийся вход талой воды Гренландии является вероятным драйвером этой тенденции. Более медленный AMOC будет иметь последствия для европейского климата, североатлантических штормовых путей и уровня моря вдоль восточного побережья США.

Антарктический ледяной щит: Спящий гигант

Антарктический ледяной щит является крупнейшим потенциальным источником повышения уровня моря в будущем. Он содержит достаточно льда, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 58 метров. Ледяной щит разделен на три отдельных сектора: Восточно-Антарктический ледяной щит (EAIS), который является холодным и относительно стабильным; Западно-Антарктический ледяной щит (WAIS), который представляет собой морской ледяной щит, покоящийся на скале ниже уровня моря; и Антарктический полуостров, который быстро нагревается. Будущее ледяного щита зависит в основном от поведения Западной Антарктиды и уязвимых секторов Восточной Антарктиды.

Западная Антарктида и нестабильность морского ледяного покрова

Западно-Антарктический ледяной щит заземлен на скале, которая ниже уровня моря и склоны вниз внутри страны. Эта геометрия делает его по своей природе неустойчивым. По мере того, как теплая океанская вода циркулирует под плавающими шельфовыми ледниками, которые окаймляют ледяной щит, он тает их снизу. Когда ледниковый шельф истончается и ослабевает, он теряет свою способность сдерживать заземленный лед за ним. Заземляющая линия - точка, где ледяной щит встречается с океаном - отступает внутрь. Поскольку дно склоняется вниз, отступление подвергает более толстый лед океану, ускоряя процесс. Это ледник Твейтса, часто называемый ледником Судного дня, и ледник Пайн-Айленда находятся в центре этой проблемы. Они в настоящее время истончаются и отступают с ускоряющейся скоростью. Полный коллапс Западно-Антарктического ледяного щита, который может занять столетия, поднимет глобальный уровень моря примерно на 3,3 метра.

Ледник Туэйтса и потенциал быстрого коллапса

Ледник Туэйтса является центром международного сотрудничества ледников Туэйтса, одной из самых интенсивных научных полевых кампаний, когда-либо проводившихся в Антарктиде. Недавние исследования показали, что ледник не только отступает вдоль своей линии заземления, но и подрывается теплой водой, которая достигает глубоко в его интерьере. Ледник в настоящее время теряет массу с ускоренной скоростью, способствуя примерно 4% глобального повышения уровня моря. Недавнее модельное исследование, опубликованное в Nature Geoscience , предполагает, что процесс, известный как нестабильность морского ледяного утеса (MICI), может привести к очень быстрому отступлению, как только ледниковый шельф потерян. Ледяные скалы, выставленные на передней части ледника, могут рухнуть под их собственным весом, если они превышают примерно 90 метров в высоту, обнажая более высокие скалы позади них и вызывая цепную реакцию коллапса. Этот механизм еще не полностью ограничен наблюдениями, но если он работает, он может поднять прогнозы повышения уровня моря на столетие значительно выше, чем текущие оценки М

Восточная Антарктида: растущая проблема

Восточная Антарктида долгое время считалась стабильным, холодным и в значительной степени инертным компонентом ледяного щита. Хотя она остается гораздо более стабильной, чем Западная Антарктида, недавние наблюдения выявили признаки уязвимости. Ледник Тоттен, который сливает массивный бассейн, эквивалентный нескольким метрам повышения уровня моря, тает снизу теплой водой, которая достигает своей линии заземления. Если ледник Тоттена должен был значительно отступить, он бы стянул вниз весь Подледниковый бассейн Авроры. Стабильность Восточной Антарктиды зависит от здоровья шельфовых ледников Росса и ледникового шельфа Фильхнера-Ронна. Поскольку океанские воды теплые, эти шельфовые ледники, вероятно, будут тонкими, что потенциально вызывает реакцию, аналогичную той, что наблюдается в Западной Антарктиде. Полный ответ Восточной Антарктиды на устойчивое потепление остается одной из самых больших неопределенностей в прогнозах уровня моря.

Глобальные последствия таяния криосферы

Потеря льда от ледников и ледяных щитов не является отдаленной полярной проблемой. Она имеет прямые и каскадные последствия для всей планеты. Эти воздействия уже ощущаются и будут усугубляться с продолжающимся потеплением.

Повышение уровня моря и уязвимость побережья

Наиболее прямым следствием таяния ледников и ледяного покрова является повышение уровня моря. Глобальный средний уровень моря поднялся примерно на 21 сантиметр с 1880 года, и темпы роста ускоряются. Потери льда от ледников и ледяных покровов в настоящее время являются доминирующей движущей силой этого подъема, обгоняя тепловое расширение. Текущие прогнозы из Шестого оценочного доклада МГЭИК оценивают, что при сценарии с наибольшими выбросами (SSP5-8.5) глобальный средний уровень моря может подняться на целых 1 метр к 2100 году. Однако, если этот механизм будет работать, повышение уровня моря может быть выше. Прибрежные сообщества во всем мире уже испытывают увеличение наводнений от приливов и штормовых нагонов. К 2050 году сотни миллионов людей будут жить в регионах, подверженных риску ежегодного прибрежного наводнения. Экономические затраты на адаптацию - морские стены, барьеры наводнений, управляемые отступления - будут измеряться в триллионах долларов. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) предоставляет подробные региональные прогнозы уровня моря [[FLT: 1]], которые информируют планирование инфраструктуры

Изменение циркуляции океана

Добавление больших объемов холодной, пресной талой воды в океан изменяет фундаментальную физику океанической циркуляции. В Северной Атлантике пресная вода из Гренландского ледяного щита снижает плотность поверхности морской воды, подавляя глубокую конвекцию, которая приводит к AMOC. Ослабление AMOC будет иметь серьезные последствия: охлаждение Североатлантического региона, изменения в моделях осадков через тропики, более сильные штормовые нагоны вдоль восточного побережья США и разрушение морских экосистем. В Южном океане талая вода из Антарктиды освежает поверхностные воды вокруг континента, что может изменить формирование Антарктической низменной воды, глубоководной массы, которая хранит тепло и углерод и управляет глобальной циркуляцией океана.

Экологический сбой

Ледозависимые виды вынуждены приспосабливаться к быстро меняющимся местам обитания. В Арктике потеря морского льда напрямую влияет на белых медведей, которые полагаются на морской лед для охоты на тюленей. Длительность сезона без льда удлиняется, сокращая охотничье окно для медведей и заставляя их тратить больше энергии на пост на суше. Кольчатые тюлени, которые строят снежные пещеры на льду для родов, испытывают обвал логов из-за раннего весеннего таяния и дождей на снегу. В Антарктиде императорские пингвины полагаются на стабильный сухопутный морской лед для размножения. В Антарктиде обвалы императорских пингвинов документированы, когда морской лед распадается до того, как птенцы освоились. Криль, ключевой вид морского льда, зависит от зимнего морского льда как среды обитания для кормления и размножения. По мере того, как морские льды сменяются на юг, тенденция, которая имеет глубокие последствия для китов, тюленей и пингвинов, которые питаются ими. Вы

Доступность пресноводных ресурсов

Ледники действуют как естественные водонапорные башни, сохраняя зимние осадки в виде льда и выпуская его в виде талой воды в теплые, сухие летние месяцы. Для таких регионов, как Анды, Центральная Азия и Гималаи, этот сезонный выброс имеет важное значение для сельского хозяйства, питьевой воды и гидроэнергетики. Поскольку ледники тоньше и отступают, они первоначально производят больше талой воды. Как только этот пик пройден, поток талой воды снижается. Многие регионы уже прошли этот пик. Потеря ледниковой талой воды совпадает с засушливым сезоном в этих районах, создавая критический дефицит воды именно тогда, когда это наиболее необходимо. Решение о строительстве крупных гидроэнергетических плотин и ирригационных проектов на реках, питаемых ледниками, должно учитывать это будущее сокращение потока. Геополитические последствия значительны, поскольку крупные реки, такие как Инд и Ганга, разделены между несколькими странами с конкурирующими потребностями в воде.

Мониторинг криосферы: инструменты торговли

Наше понимание изменяющейся криосферы построено на основе устойчивых, высококачественных наблюдений. Спутниковые миссии произвели революцию в поле. Миссии GRACE и GRACE-FO измеряют изменения в гравитационном поле Земли, позволяя ученым взвешивать ледяные щиты и отслеживать потерю массы с невероятной точностью. Миссии ICESat и ICESat-2 используют лазерную альтиметрию для измерения изменений высоты поверхности льда, позволяя точные оценки истончения. Миссия CryoSat-2 Европейского космического агентства использует радиолокационную альтиметрию для картирования возвышения ледяного покрова и толщины морского льда. Эти спутниковые миссии дополняются аэрофотосъемками (такими как операция НАСА IceBridge) и наземными полевыми кампаниями. Поле остается сложным - Антарктика по-прежнему является самым отдаленным и враждебным континентом на Земле. Но собранные данные изменили наше понимание. Консенсус ясен: лед теряет массу с ускоренной скоростью, а окно для стабилизации системы сужается.

Будущее льда на планете, которая нагревается

Траектория мировых ледников и ледяных щитов в ближайшие десятилетия будет определяться в основном темпами выбросов парниковых газов. При сценарии с высоким уровнем выбросов вклад потери льда в повышение уровня моря будет существенным, потенциально превышающим 2 метра к 2150 году. При сценарии с низким уровнем выбросов, согласованном с целями Парижского соглашения, скорость потери льда может быть значительно замедлена, сохраняя Гренландский ледяной щит и большую часть Западно-Антарктического ледового щита в долгосрочной перспективе. Разница между этими двумя фьючерсами является резкой. Выбор, сделанный в следующем десятилетии, установит цель для температур, которые ледяные щиты будут испытывать на протяжении тысячелетий. Доказательства однозначны: криосфера быстро меняется, а последствия являются глобальными. Продолжающиеся инвестиции в сети наблюдений, улучшенные модели ледяного щита и агрессивное смягчение климата имеют важное значение для снижения рисков и подготовки к предстоящим изменениям. Судьба льда, в конечном счете, в наших руках.