Научная роль ледников в мониторинге климата

Ледники являются одними из наиболее чувствительных индикаторов изменения климата на Земле. Эти большие, стойкие ледяные массы напрямую реагируют на изменения температуры и осадков, что делает их естественными инструментами для измерения глобального потепления. В отличие от других климатических прокси, ледники предлагают видимые, измеримые доказательства изменений, которые можно отслеживать на протяжении десятилетий и столетий. Ученые полагаются на измерения баланса массы ледника — разницу между накоплением от снегопада и потерей от таяния и сублимации — для количественной оценки того, как быстро климат нагревается. Когда ледники теряют больше массы, чем они получают, они отступают; когда они получают больше, чем они теряют, они продвигаются. За последнее столетие подавляющая глобальная тенденция была одной из устойчивых отступления и потери массы, обеспечивая некоторые из самых четких физических доказательств того, что планета нагревается с ускоренной скоростью.

Ледники также служат архивами прошлых климатических условий. Ледяные керны, пробуренные из ледников и ледяных щитов, содержат захваченные пузырьки воздуха, которые раскрывают исторический состав атмосферы, температуру и концентрации парниковых газов. Эти записи простираются на сотни тысяч лет, позволяя ученым контекстуализировать текущее потепление в рамках естественной изменчивости климата. Согласованность между данными ледяного керна и современными температурными записями укрепляет вывод о том, что человеческая деятельность стимулирует текущее потепление. Исследования климата НАСА продолжают предоставлять спутниковые и полевые данные, которые подтверждают, что ледники теряют лед со скоростью, беспрецедентной в последние тысячелетия.

Наблюдаемые тенденции в балансе массы ледника во всем мире

Глобальные сети мониторинга ледников, координируемые такими организациями, как Всемирная служба мониторинга ледников (WGMS), отслеживают изменения в тысячах ледников на всех континентах, кроме Австралии. Данные показывают четкую картину: ледники теряют массу ускоряющимися темпами. В период с 2000 по 2019 год ледники за пределами ледников Гренландии и Антарктики теряли в среднем 267 миллиардов тонн льда в год, что составляет примерно 21% наблюдаемого повышения уровня моря. Этот темп потерь значительно увеличился с 1990-х годов, и тенденция не показывает признаков разворота.

На региональном уровне картина последовательна, но варьируется по величине. Ледники в Европейских Альпах потеряли более половины своего объема с 1850 года, и многие более мелкие ледники, как ожидается, полностью исчезнут в течение следующих нескольких десятилетий. В тропиках ледники на горе Килиманджаро, Андах и Папуа-Новой Гвинее испытали драматическое отступление, причем некоторые полностью исчезли. Ледниковые озера формируются там, где когда-то стоял лед, создавая новые опасности для сообществ ниже по течению. Даже в более холодных регионах, таких как Аляска и Канадская Арктика, где ледники больше и холоднее, темпы потери массы резко ускорились. Спутниковая альтиметрия и гравиметрические миссии, такие как ICESat НАСА и GRACE, обеспечивают точные измерения изменения объема льда, подтверждая, что потеря ледника ускоряется почти во всех регионах. Всемирная служба мониторинга ледников поддерживает наиболее полную базу данных этих наблюдений.

Одно из самых тревожных открытий заключается в том, что ледники в высокогорной Азии — Гиндукуш, Каракорум и Гималаи — испытывают ускоренное таяние после периода относительной стабильности в некоторых субрегионах. Эти ледники являются источником крупных рек, которые поддерживают миллиарды людей. Их быстрое отступление представляет прямую угрозу для водной безопасности, сельского хозяйства и производства энергии в Южной Азии и Китае.

Ключевые водители ледника отступают

Температура и атмосферное потепление

Средняя глобальная температура выросла примерно на 1,1 ° C с доиндустриальных уровней, а высокогорные и высокоширотные регионы нагреваются быстрее, чем в среднем по миру. Это явление, известное как полярное усиление, заставляет ледники испытывать повышение температуры на 2 ° C или более, даже когда глобальные средние значения ниже. Более теплый воздух непосредственно увеличивает поверхностное таяние, сдвигает высоту равновесной линии на более высокие высоты и уменьшает долю осадков, которые выпадают в виде снега. Когда температуры остаются выше замерзания в течение более длительных периодов в течение сезона таяния, ледники испытывают более обширное и длительное таяние, что приводит к чистой потере массы даже в годы с сильным снегопадом.

Связь между температурой и массовым балансом ледников не является линейной. Небольшие повышения температуры могут приводить к непропорционально большим последствиям таяния, особенно в регионах, где ледники уже находятся вблизи своих климатических пределов. Эта нелинейность делает ледники особенно чувствительными к продолжающемуся потеплению и означает, что даже скромное сокращение выбросов парниковых газов может замедлить, но не обязательно остановить, продолжающееся отступление во многих районах.

Изменения в осадках и снегопадах

Хотя температура является доминирующим фактором, изменения в характере осадков также играют решающую роль в здоровье ледников. Многие ледниковые регионы полагаются на зимний снегопад, чтобы накапливать лед и компенсировать летнее таяние. Изменение климата изменяет режимы осадков сложными способами: некоторые регионы получают больше осадков, но все большая часть падает как дождь, а не снег. Дождь не способствует увеличению массы ледника; вместо этого он может ускорить таяние, доставляя тепло и уменьшая поверхностное альбедо. В маргинальных ледниковых зонах переход от преобладающего снега к доминируемому осадками осадку может протолкнуть ледники мимо переломного момента, превратив ранее стабильный ледник в тот, который быстро распадается.

В таких регионах, как Тихоокеанский Северо-Запад и Патагония, увеличение осадков зимой частично компенсировало летнее таяние в некоторые годы, но долгосрочная тенденция остается отрицательной. В более засушливых регионах, таких как тропические Анды и Гималаи, сокращение снегопадов в засушливые годы еще больше усугубляет потерю массы. Модели прогнозируют, что по мере продолжения потепления доля осадков, выпадающих по мере того, как снег будет уменьшаться в большинстве ледниковых регионов, уменьшая основной механизм, с помощью которого ледники сохраняют свою массу.

Эффекты черного углерода и альбедо

Деятельность человека выделяет не только парниковые газы, но и аэрозоли и частицы, которые могут ускорить таяние ледников. Черный углерод, образующийся в результате неполного сжигания ископаемого топлива, сжигания биомассы и дизельных двигателей, откладывается на поверхности ледников и темнеет лед. Это уменьшает альбедо поверхности, что означает, что лед поглощает больше солнечной радиации и тает быстрее. Исследования зафиксировали повышенные концентрации черного углерода на ледниках в Гималаях, Андах и Арктике, что способствует темпам таяния, которые выше, чем можно было бы ожидать от изменения температуры.

Аналогично пыль и сажа от сельскохозяйственной деятельности, строительства и лесных пожаров могут транспортироваться на большие расстояния и оседать на поверхности ледников.Кумулятивный эффект этих светопоглощающих частиц — измеримое снижение поверхностной отражательной способности, повышение скорости таяния на 10—30 % в некоторых регионах.Сокращение выбросов чёрного углерода из транспортных средств, кухонных плит и промышленных источников представляет собой относительно быстрый способ умеренного таяния ледников, поскольку эти частицы сохраняются в атмосфере всего несколько дней — недель, в отличие от углекислого газа, который накапливается веками.

Региональные тематические исследования

Гималаи и третий полюс

Индусский Куш-Гималайский регион содержит самую большую концентрацию ледникового льда за пределами полярных регионов, получив прозвище «Третий полюс». Эти ледники питают крупные реки, включая Гангу, Инду, Брахмапутру, Янцзы и Меконг, поддерживая более 1,5 миллиарда человек водой для питья, орошения и гидроэнергетики.Спутниковые данные и полевые наблюдения показывают, что гималайские ледники теряют массу со средней скоростью примерно 0,4 метра водного эквивалента в год с начала 2000-х годов, с ускоренными потерями в последние годы.

Последствия продолжающейся потери ледников в этом регионе являются серьезными. Первоначально увеличение талой воды может вызвать наводнения и вспышки ледниковых озер - катастрофические события, когда нестабильные плотины морен терпят неудачу и выпускают огромные объемы воды вниз по склону. В долгосрочной перспективе, поскольку объемы ледников сокращаются, потоки рек в сухой сезон будут уменьшаться, что поставит под угрозу сельскохозяйственное производство и водоснабжение сотен миллионов людей. МГЭИК прогнозирует, что без значительного сокращения выбросов гималайские ледники могут потерять 60-70% своего объема к 2100 году. Шестой оценочный доклад МГЭИК предоставляет подробные прогнозы потери ледников и ее воздействия на водные ресурсы.

Андские ледники

В Южной Америке тропические ледники существуют в основном в Андах, с крупными концентрациями в Колумбии, Эквадоре, Перу, Боливии и Чили.Эти ледники исключительно чувствительны, поскольку существуют в узкой климатической зоне, где температура колеблется вблизи точки замерзания круглый год.Даже небольшое повышение температуры может заставить их пересечь порог от накопления до абляции.С 1970-х годов площадь поверхности тропических андских ледников сократилась более чем на 40%, а многие более мелкие ледники уже исчезли.

Ледники в Андах являются важнейшим источником воды в сухой сезон, особенно для высокогорных городов, таких как Ла-Пас, Кито и Лима. По мере того, как эти ледники продолжают отступать, доступность воды в сухой сезон становится все более небезопасной. Сокращение стока ледников также влияет на выработку гидроэлектроэнергии, от которой зависят многие страны Анд. Потеря этих ледников является не только экологической проблемой, но и прямой угрозой экономической стабильности и благополучию человека в регионе.

Арктика и Гренландия

Арктика содержит некоторые из самых больших и быстро меняющихся ледниковых систем на Земле, включая Гренландский ледниковый щит и тысячи меньших ледников в Канадском арктическом архипелаге, Шпицбергене и российской Арктике. Только Гренландский ледяной щит содержит достаточно замороженной воды, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 7 метров. Спутниковые измерения показывают, что Гренландия теряет лед с ускорением, от примерно 50 миллиардов тонн в год в 1990-х годах до более чем 250 миллиардов тонн в год в 2010-х годах. Арктические ледники за пределами Гренландии также теряют массу с беспрецедентными темпами.

Потепление Арктики происходит примерно в три раза быстрее, чем в среднем по миру, благодаря механизмам обратной связи, таким как потеря морского льда, которая подвергает темной океанской воде, которая поглощает больше солнечной радиации, дальнейшее потепление региона. Это усиление ускоряет таяние ледников, а также оттаивает вечную мерзлоту, которая выделяет дополнительные парниковые газы. Сочетание быстрого потепления, обратной связи альбедо и изменений в атмосферной циркуляции делает Арктику критически важным регионом для понимания будущей траектории глобальной потери ледников.

Каскадные последствия потери ледника

Повышение уровня моря вклад

Ледниковая талая вода, поступающая в океаны, является одним из крупнейших факторов, способствующих современному повышению уровня моря. В период с 2000 по 2019 год потеря массы ледников (за исключением ледников Гренландии и Антарктики) способствовала повышению глобального уровня моря примерно на 1,5 миллиметра в год. Когда вклады из ледников Гренландии и Антарктики включены, общее увеличение составляет около 3,6 миллиметров в год. В то время как тепловое расширение морской воды также вносит значительный вклад, компонент ледника растет по мере ускорения таяния.

Будущие прогнозы повышения уровня моря в значительной степени зависят от сценариев выбросов. В рамках пути с высоким уровнем выбросов общее повышение уровня моря к 2100 году может достичь 1 метра или более, при этом ледник и таяние ледяного покрова вносят доминирующую долю. Даже при умеренном сокращении выбросов некоторая степень продолжающегося таяния ледников неизбежна из-за инерции, встроенной в климатическую систему. Прибрежные сообщества, инфраструктура и экосистемы столкнутся с растущими проблемами из-за более высоких уровней моря, включая эрозию, наводнения и вторжение соленой воды в пресноводные системы.

Безопасность пресной воды и гидрологические сдвиги

Ледники действуют как естественные водоемы, сохраняя осадки в виде льда в холодные сезоны и высвобождая его в теплые, сухие периоды. Этот буферный эффект особенно важен в регионах с сильными сезонными моделями осадков, таких как муссонный зависимость Азии и полузасушливая Южная Америка. По мере сокращения ледников их способность регулировать водоснабжение уменьшается. Первоначально увеличение талой воды может увеличить потоки рек, но за этим «пиком воды» следует долгосрочное снижение по мере истощения объема ледника.

Переход от ледникового к дождевому гидрологическому режиму будет иметь глубокие последствия для сельского хозяйства, гидроэнергетики и внутренних водных ресурсов.В некоторых регионах, таких как бассейн Инда и центральные Анды, сокращение потока в сухой сезон может превысить 30-50% к концу века при сценариях высокого потепления.Сообщества, которые полагаются на ледниковые талые воды, должны адаптироваться за счет улучшения хранения воды, повышения эффективности, диверсификации источников воды и реализации стратегий управления спросом.

Экосистемные и опасные реакции

Отступление ледников создает новые ландшафты, в том числе проледниковые озера, открытые породы и расширяющиеся растительные районы. В то время как некоторые виды могут извлечь выгоду из новых доступных мест обитания, многие адаптированные к холоду организмы сталкиваются с растущим давлением по мере сокращения их мест обитания. Поточные экосистемы, питаемые ледниковой талой водой, подвергаются изменениям температуры, мутности и режимов питательных веществ, влияя на водное биоразнообразие. Поймы и дельты вниз по течению также испытывают измененные осадочные породы и структуры переноса питательных веществ.

Наводнения, вызванные выбросами ледниковых озер, представляют собой одну из самых непосредственных и опасных опасностей, связанных с отступлением ледников. По мере таяния ледников они оставляют после себя нестабильные озера, затопленные мореной, которые могут выйти из строя без предупреждения, вызывая катастрофические наводнения. Эти события привели к тысячам смертей и миллиардам долларов ущерба в Гималаях, Андах и Аляске. Системы мониторинга и раннего предупреждения разрабатываются во многих регионах, но риск продолжает расти по мере образования новых озер и расширения существующих озер.

Предсказательные модели и сценарии будущего

Климатические модели и модели баланса массы ледника используются для прогнозирования будущего поведения ледника при различных путях выбросов. Эти модели включают температуру, осадки, солнечное излучение и другие переменные для моделирования того, как ледники будут меняться в ответ на меняющиеся климатические условия. Результаты последовательно показывают, что степень и величина потери ледника критически зависят от скорости будущих выбросов парниковых газов.

По сценарию с высокими выбросами (RCP 8.5 или SSP5-8.5) многие низко- и средневысотные ледники, по прогнозам, потеряют 80% или более своего текущего объема к 2100 году. Ледники в Альпах, тропиках и Андах особенно уязвимы. Даже при сценарии умеренного смягчения (RCP 4.5 или SSP2-4.5) существенные потери неизбежны, потому что климатическая система уже достаточно прогрелась, чтобы многие ледники могли долго отступать. Только при самых агрессивных сценариях сокращения выбросов (RCP 2.6 или SSP1-1.9) можно значительно замедлить широкомасштабную потерю ледников, хотя даже в этих случаях некоторое отступление будет продолжаться в течение десятилетий из-за инерции.

Сохраняются модельные неопределенности, в частности в отношении реакции морских ледников в Гренландии и Антарктиде, влияния черного углерода и пыли и потенциала резкой нестабильности ледяного покрова.Однако общая траектория ясна: продолжающееся потепление вызовет продолжающуюся потерю ледников, с серьезными последствиями для уровня моря, водных ресурсов и экосистем.Выборы, сделанные в следующем десятилетии, во многом определят величину потерь.

Неопределенности и границы исследований

Хотя широкие тенденции в отступлениях ледников хорошо известны, сохраняются значительные научные неопределенности. Одной из ключевых областей является реакция полярных ледниковых щитов, особенно Западно-Антарктического ледяного щита, который содержит достаточно льда, чтобы поднять уровень моря на несколько метров и уязвим для нестабильности морского ледяного щита. Подледниковая топография, океанские течения и динамика ледникового шельфа вносят сложности, которые современные модели изо всех сил пытаются захватить в полной мере.

Еще одним рубежом является понимание роли надледникового покрытия. Многие ледники, особенно в Гималаях и Андах, частично покрыты обломками пород, которые могут изолировать лежащий под ними лед и медленно таять. Однако тонкий обломок может также усиливать таяние за счет увеличения поглощения тепла. Неоднородный и переменный характер обломков делает сложным включение в крупномасштабные модели. В настоящее время проводятся исследования по совершенствованию методов дистанционного зондирования и разработке более эффективных параметризаций покрытых обломками ледников.

Вклад ледников в повышение уровня моря также остается областью активных исследований. Улучшенные спутниковые миссии, такие как ICESat-2 НАСА и CryoSat-2 Европейского космического агентства, предоставляют все более точные данные о высоте и изменении массы. Эти наблюдения помогают уточнить прогнозы моделей и уменьшить неопределенность в отношении сроков и величины будущих взносов. Интеграция полевых измерений, дистанционного зондирования и моделирования быстро продвигается, но необходимы дальнейшие исследования для захвата полного спектра возможных ответов ледников в мире потепления.

Пути смягчения и адаптации

Сокращение выбросов парниковых газов остается самым прямым и фундаментальным способом замедлить потерю ледников и ее воздействие. Поскольку ледники реагируют на кумулятивное потепление, даже небольшое сокращение выбросов может значительно снизить долгосрочные темпы отступления. Углекислый газ остается в атмосфере на протяжении веков, поэтому краткосрочное сокращение выбросов имеет важное значение для ограничения общего потепления, которое будут испытывать ледники. Международные рамки, такие как Парижское соглашение, направлены на сохранение потепления значительно ниже 2 ° C, но текущие политика и обещания недостаточны для достижения этой цели. Исследования, опубликованные в Nature , подчеркивают неотложность закрытия разрыва в выбросах для защиты уязвимых ледниковых систем.

Наряду с смягчением последствий, необходима адаптация, чтобы справиться с уже имеющимися и неизбежными последствиями. Инфраструктура хранения воды, такая как водохранилища и регулируемая подпитка водоносных горизонтов, может помочь защитить от сезонных изменений. Улучшенные системы мониторинга опасности и раннего предупреждения о наводнениях, вызванных выбросами ледниковых озер, могут снизить риски для населения, живущего ниже по течению. Комплексное управление водными ресурсами, которое объясняет снижение ледников, позволяет общинам и правительствам планировать сокращение будущих поставок.

В некоторых регионах инженерные решения, такие как искусственные ледники и ледяные ступы, были протестированы на хранение воды в твердом виде в течение зимы для использования в сухой сезон. Хотя эти местные вмешательства могут обеспечить небольшие выгоды, они не могут заменить емкость хранения природных ледников. В конечном счете, наиболее эффективной стратегией сохранения ледников и ограничения их негативных последствий является агрессивное, немедленное и устойчивое сокращение глобальных выбросов парниковых газов в сочетании с целенаправленными адаптационными мерами для наиболее уязвимых сообществ.

Ледники — это не просто замороженные ландшафты; они являются динамическими индикаторами изменения климата Земли, и их отступление посылает безошибочный сигнал. Научные данные однозначны: вызванное человеком потепление приводит к потере ледников темпами, которые ускоряются и будут продолжаться в течение десятилетий. Выбор, сделанный сейчас, определит, наследуют ли будущие поколения мир с некоторыми ледниками, которые все еще присутствуют, или тот, где эти замороженные резервуары пресной воды и история климата в значительной степени исчезли. Ответ на отступление ледников должен соответствовать масштабу проблемы — с смелым сокращением выбросов и с практической адаптацией, которая защищает миллиарды, которые зависят от систем водоснабжения, питаемых ледниками.