И об Антарктиде. Вчерашней, сегодняшней и будущей.
За последние 100 с небольшим миллионов лет Антарктида превратилась из покрытого зеленью континента в тектонически изолированный материк с толстым слоем льда. Процесс тектонической изоляции начался более 200 млн лет назад. Антарктида тогда находилась в центре суперконтинента Гондваны, обладая климатом, схожим с климатом современной Новой Зеландии. Распад Гондваны происходил постепенно: сначала (170 млн лет назад) откололась Африка, затем (145 млн лет назад) кусок суши, большая часть которого является сегодня полуостровом Индостан, и, наконец, (ок. 90 млн лет назад) Австралия. Постепенное удаление Австралии от Антарктиды формировало Южный океан. 34 млн лет назад произошла финальная стадия этой трансформации, когда между полярным континентом и Южной Америкой, Африкой и Австралией появились широкие проливы, создав таким образом простор для Антарктического циркумполярного течения — самого сильного океанского течения нашей планеты, - которое изолировало Антарктиду и климатически. После тектонического обособления отмечается (на границе эоцена-олигоцена) постепенное уменьшение глобальных температур и концентрации CO2 (см. рис. 1). Тогда же происходит первичное формирование устойчивого ледяного покрова на возвышенных частях материка.
Современная морфология Антарктиды определяется тем, как происходило это оледенение. Она состоит из кратонического (кратон - крупная структура кристаллического фундамента континентальной коры, не претерпевшая с архея значительных изменений) щита Восточной Антарктики и тонкой, с низменным рельефом, системы рифтов Западной части, а также Антарктического полуострова - вытянутого хребта, сформированного конвергентными тектоническими процессами. В Восточной Антарктиде выделяются два главных горных хребта. Первый — горы Гамбурцева с высотами до 4500 метров над уровнем моря, отделяющие возвышенный щит Восточной части континента от низменной коры Западной. Именно на этих хребтах и возвышенностях Земли Королевы Мод сформировались первые ледники. Отсюда они расползлись, погребая под собой горы Гамбурцева, сформировав ледяную шапку на всю Восточную Антарктику, но в западной части континента ещё 20 млн лет ледяного покрова было мало.
Учитывая тот факт, что большая часть Западной Антарктиды лежит ниже уровня моря, создание большого ледяного покрова потребовало существенного охлаждения. И когда 14 млн лет назад климат снова стал холодным, Западная Антарктида стала покрываться льдом. Опять же, тектоника, возможно, поспособствовала этому процессу, так как поднятие Земли Мэри Бэрд создало возвышенную местность, на которой мог расти ледяной покров. 10 миллионов лет назад Западно-Антарктический ледяной щит заполнил низменную рифтовую систему. После полного установления снежного покрова два природных феномена стали влиять на его рост и разрушение: колебания угла наклона земной оси к плоскости её орбиты с периодом прибл. 40 тысяч лет и изменения эксцентриситета орбиты с периодом в 100 тысяч лет. (См. статью про циклы Миланковича). Фоновая температура, по-видимому, может указывать, какая из этих частот является доминирующей на тот или иной момент. В настоящее время данные, полученные из ледяных кернов указывают на 100-тысячелетний период увеличения и уменьшения ледяного покрова. А ранее, свыше 800 тысяч лет назад, главенствовал в этом процессе иной период — в 40 тысяч лет. В холодные периоды лёд как в Восточной, так и в Западной Антарктиде расширялся, достигая границ континентального шельфа (рис. 1). Во времена его максимального распространения, отложения, переносимые льдом, откладывались там, где лёд шёл над морской водой, расширяя таким образом мелководье континентального шельфа каждый раз, когда ледяные щиты росли. Эти низменные морские части континента медленнее покрывались льдом и являются областями ледяного покрова, который наиболее подвержен разрушению при потеплениях климата. В течение некоторых теплых периодов Западно-Антарктический ледяной щит отступал за пределы своего нынешнего уровня, а в некоторых случаях полностью разрушался. Низколежащие части Восточной Антарктиды, вероятно, также разрушились в прошлые тёплые периоды. Свидетельством этого являются осадочные породы в море Росса и данные о глобальном уровне моря, где его прошлый уровень не может быть объяснён иначе, как потерей льда как в Восточной, так и в Западной Антарктике (рис. 1).
Структура континента
Существуют три основные составляющие системы ледяного покрова Антарктиды: почти статичный наземный покровный лёд, относительно быстро текущие ледяные потоки или выводные ледники и плавающие шельфовые ледники (рис. 2). Наземный покровный лёд составляют подавляющее большинство от общего количества льда (рис. 2) и находится в контакте с подстилающими породами. Этот лёд очень медленно движется за счет внутренней деформации со скоростью порядка 1 м/год и имеет толщину до 4775 м. Быстро текущие ледяные потоки и выводные ледники являются своеобразными конвейерными лентами, которые, достигая в ширину до 100 км, перемещают лёд к океану и быстро скользят по рельефу со скоростью до 4 км/год. И хотя поверхность ледников и ледяных потоков усеяна разломами и трещинами, вода и тилль (водонасыщенная валунная глина), находящиеся в основании этих потоков, уменьшают трение, способствуя их быстрому перемещению. Оценив численно массу всего этого льда, можно сказать, что если он растает полностью, то этого объёма воды с лихвой хватит, чтобы поднять уровень мирового океана на 58 метров.
Шельфовые ледники — это обширные плавучие или частично опирающиеся на дно ледники, текущие от берега в море. Они охватывают площадь свыше 1,5 млн. км2 почти вокруг всего континента. Шельфовый лёд не влияет непосредственно на повышение уровня моря, но замедляет поток ледников и ледяных потоков, которые питают их, создавая некоторое обратное давление. Место, где лёд в ледниках и ледяных потоках начинает плавать над океаном, называется линией налегания. Для неё характерны две следующие закономерности. Первая: чем, больше льда пересекает линию налегания, тем выше уровень мирового океана. Вторая: отступление этой линии в сторону континента свидетельствует о сокращении ледяного покрова. Самые большие антарктические шельфовые ледники (Росс, Филхнера и Эмери) в среднем имеют толщину 300 м. Накопление снега на поверхности этих больших шельфовых ледников и выбросы покровного льда как правило уравновешивают потери массы, вызванных воздействием морской воды и температуры в относительно тёплые месяцы.
Восточная Антарктида — самый большой ледяной щит на планете, толщина которого превышает 4600 м. В некоторых районах коренные породы, лежащие подо льдом, находятся над уровнем моря, но обширные участки находятся ниже уровня моря. Верхняя часть ледяного покрова, Купол А, находится на высоте 4200 м над горами Гамбурцева (рис. 2 и 3), тогда как самая глубокая точка, высеченная эрозией во время наступлений и отступлений ледяных потоков, расположена более чем на 3500 м ниже уровня моря под ледником Денман. Под толстым льдом находятся крупные озера — Восток и Советская — с глубинами до 1000 м (рис. 2 и 3). Эти системы были изолированы от атмосферы в течение приблизительно 34 миллионов лет с момента начала оледенения Антарктиды. Полученные во время различных экспедиций (например) ледяные керны помогли составить представление о температуре и уровне СО2 в разные эпохи. Керны озера Восток позволили заглянуть на 400 тысяч лет назад, керны Купола C на 800 тысяч лет, а Купола F — на 720 тысяч.
Западная же Антарктида классифицируется по большей части как морской ледяной покров, потому что топография под покровом в значительной степени располагается ниже уровня моря. Лёд подстилается морскими отложениями, созданными ледниковыми процессами, рифтовыми осадочными бассейнами, кристаллическими породами и активным вулканическим ландшафтом. Литосфера этого региона испытывает поднятие со скоростью до 4 см/год, являясь причиной истончения ледяного покрова. Базальная гидрология под Западной Антарктидой является сложной, с сотнями карманов воды, которые заполняются и истощаются за десятилетия, производя колебания высоты поверхности порядка одного метра. Две стороны западно-антарктического ледникового щита укреплены большими шельфовыми льдами Росса и Ронне-Фильхнера, тогда как секторе моря Амундсена имеются небольшие шельфовые ледники (рис. 4).
Антарктический полуостров является самым северным и самым тёплым регионом Антарктиды. Более пяти сотен ледников сливают здесь лёд с центрального плато. Вдоль восточной стороны полуострова, обращенной к морю Уэдделла, ледники питают шельфовые ледники Ларсена (рис. 4).
Свидетельства изменений на континенте
Свидетельства недавних изменений антарктического льда основаны на количественных измерениях, полученных тремя независимыми способами (в основном полученными со спутников и бортовых авиационных систем). Это уменьшение массы, снижение высоты над уровнем моря и увеличение скорости движения поверхностных льдов (рис. 4).
Изменения массы льда измерялись из космоса с помощью пары спутников GRACE (Gravity Recovery и Climate Experiment), которые фиксировали изменения в гравитационном поле, испытываемые каждым космическим кораблем при обращении вокруг Земли. Упомянутая пара спутников совершала ежемесячные измерения изменения массы льда в Антарктике с 2002 по 2017 год (рис. 4), а в 2018 году была запущена новая пара спутников GRACE Follow-On для продолжения аналогичных измерений. Данные GRACE показывают потерю массы в Западной Антарктиде, сосредоточенную в секторах моря Амундсена и Беллинсгаузена, и увеличение массы в некоторых регионах Восточной Антарктиды и вдоль ледяного потока Камб (рис. 4).
Понижение высоты поверхности измерялось высотомерами из космоса и с летательных аппаратов в тех же регионах, где наблюдается потеря массы. Радары спутников Cryosat и лазерные высотомеры европейских спутников ICESat1, ICESat2 используются для измерения высоты поверхности льда. Оба способа измерений комбинируют, так как каждый из них имеет свои недостатки. Например, лазерные измерения затруднены при наличии облачного покрова, а у радиолокационных измерений недостатком является погрешность измерения, так как радиоволны имеют свойство проникать на некоторую глубину в верхних частях снежного покрова. Уменьшение высоты ледяного покрова за последние 25 лет ярко выражено в секторах моря Амундсена и Беллинсгаузена в Западной Антарктиде и Земли Уилкса в Восточной Антарктике. Ледники Пайн Айленд, Туэйтс и Смит-Папа-Колер испытали наибольшее изменение за этот период. Здесь ледники уменьшались по высоте со скоростью до 9 м/год (рис. 4). Однако на некоторых окраинах Восточной Антарктиды произошёл и рост из-за увеличения количества снегопадов (рис. 4). Вдоль побережья Сипла внутренняя часть ледяного потока Камб утолщалась со скоростью приблизительно 0,65 м/год в течение последних 20 лет из-за его застоя (рис. 4). Измерения скорости на основе измерений интерферометрических радаров с синтезированной апертурой (SAR) позволяют наблюдать потоки больших областей с точностью в несколько десятков метров в год.
Изменения скорости таяния ледяного покрова разительны на полуострове, где после их обрушения наблюдалось значительное ускорение ледников, питающих ледовые шельфы Ларсена, а также в секторе моря Амундсена. В этом регионе скорость движения ледника острова Пайн удвоилась по сравнению со значениями 90-х годов прошлого века (рис. 4), в то время как его линия налегания, точно оцененная дифференциальным интерферометрическим радаром, отступила более чем на 30 км. Почему же нам так важно знать значения этих скоростей? Дело в том, что это знание позволяет довольно точно рассчитать объёмы потоков выноса льда в океан и оценить прирост или потерю массы льда для различных водосборных бассейнов.
Между 1950 и 2000 годами средняя температура воздуха на полуострове увеличилась на 4°C. В этот период потепления ледяные шельфы Ларсена А и Б разрушились в 1995 и 2002 годах соответственно (рис. 4). А ледники, питающие ледяной шельф Ларсена Б, ускорились после исчезновения этого препятствия на своём пути. До разрушения Ларсена Б поверхность ледяного шельфа была покрыта озерами, что указывает на то, что нагретый воздух и поверхностные талые воды могут дестабилизировать ледяные шельфы, приводя к более быстрому стоку антарктического льда в моря. Всё это ещё раз доказывает защитную роль ледяных шельфов от повышения уровня мирового океана.
Эти наблюдения с помощью дистанционного зондирования позволяют ученым наблюдать за изменениями ледникового щита и расшифровывать причины таких изменений. Океан, окружающий Антарктиду, и атмосфера, особенно в регионе полуострова, заметно разогрелись за 25-летний период наблюдений за изменением льда. Континент теряет большую часть своей массы из-за увеличения ледяного потока выводных ледников и ледяных потоков. Это контрастирует с ледяным щитом Гренландии, где половина потерь обусловлена более быстрым течением льда, а половина - таянием поверхности ледяного щита. Поверхностное таяние пока ещё не является основной причиной потери льда в Антарктиде, и глобальные климатические модели предполагают, что увеличение количества снегопадов в Восточной Антарктике может частично компенсировать потерю массы. Хотя эти изменения продолжаются уже в течение последних трех десятилетий, нельзя исключать возможности более быстрой и драматической потери массы.
Хотя окружающие Антарктиду поверхностные слои морей холодны, глубинные воды Циркумполярного течения теплее и могут влиять на ледяной покров, достигая шельфовых ледников и их линий налегания, где лёд находится на плаву. Совокупность изменений в Западной Антарктиде указывает на главенствующую роль, которую теплеющий океан играет в наблюдаемых изменениях. У основания выводных ледников в море Амундсена топография подо льдом разнообразна, имеются и подъемы и спуски. Пласты пород, которые опускаются не в сторону моря, а вглубь континента, где лёд становится толще, называется обратным уклоном. Когда ледник отступает через обратный уклон, отступление ледника означает более толстый лёд на линии налегания, и, следовательно, больше льда покидает ледяной покров, в то время как область, накапливающая снег, уменьшается. Таким образом ледяной щит теряет равновесие. Больший поток льда приводит к истончению и дополнительному отступлению до тех пор, пока не встретится область с внутренним восходящим уклоном, где происходит стабилизация линии налегания. Кроме того, на обратном склоне нарушается ледовая динамика; более толстый лёд на линии налегания означает, что больше льда подвергается таянию в океанских водах. Случайное возмущение может вытолкнуть выводной ледник из устойчивой точки в область с обратным уклоном, и это будет иметь последствия с долгой историей. Например, чрезвычайная активность Эль-Ниньо в 40-х годах прошлого века, по-видимому, вызвало отступление линии налегания, которое всё ещё продолжается у острова Пайн в Западной Антарктике.
Другим феноменом, который служит спусковым механизмом для быстрого и устойчивого увеличения ледяного потока, является обвал подпирающих шельфовых ледников. Долгое время возможность этого явления была предметом дебатов в научном сообществе, пока оно не было зафиксировано воочию, пока не обнаружили ускорение потока в ледниках, питающих ледяной шельф Ларсена Б, которое началось после разрушения шельфа в 2003 г. Незадолго до обрушения эта поверхность шельфового ледника была покрыта озёрами. Это обстоятельство навело на мысль, что гидроразрывы и нагрузка от озёр могут повреждать шельфовый лёд в достаточной степени, чтобы запустить цепочку последовательных обрушений, которые заканчиваются катастрофическим коллапсом.
Неопределённое будущее
Всё чаще люди по всему миру интересуются, насколько поднимется уровень моря в ближайшие десятилетия. Но пробелы в наших фундаментальных знаниях в области батиметрии вблизи ледникового щита и в районах, покрытых морским льдом и шельфовыми ледниками, наше незнание температур глубоководных масс, а также неосведомлённость в поведении поверхностных талых вод и в базальных условиях под ледяными пластами, вводят ограничения в наше умение прогнозировать будущее относительно этого вопроса. Поэтому крайне важно, чтобы мы улучшили наши прогнозы за счёт увеличения наблюдательных усилий и улучшения моделей ледяного покрова.
Проекты по защите отдельных городов стенами и барьерами могут спасти только тех, кто будет жить под их защитой. Более эффективными видятся те проекты, которые направлены на защиту самого ледяного щита. Рассматриваются различные предложения по замедлению потока льда и снижению будущего повышения уровня моря. Некоторые из них включают в себя планы работ со снегоуборочными машинами, которые осаждали бы снег во внутренних районах Антарктиды, а также постройку защитных валов и уступов для изоляции льда от воздействия потеплевших океанских вод. Однако имеются серьёзные опасения по поводу эффективности и экономической целесообразности таких решений. Поиск глобальных решений для меняющегося ледового покрова имеет важное значение для судеб береговых линий, где человечество наиболее уязвимо, но их следует тщательно изучить, поскольку существует вероятность негативных последствия от таких вмешательств.
Развитие наших знаний об истории и фундаментальных процессах, которые контролируют эволюцию ледникового щита, будет иметь решающее значение для будущих поколений. Эти знания улучшат возможности прогнозирования эволюции Антарктики и помогут лучше информировать прибрежные сообщества по всему миру.
Робин Белл и Хелена Сероусси (Robin E. Bell and Helene Seroussi),
"Science", 20.03.2020.