Западно-антарктический ледяной щит вызывает особую озабоченность у ученых, потому что он содержит достаточно льда, чтобы поднять глобальный уровень моря на 16 футов, а его физическая конфигурация делает его восприимчивым к таянию теплой океанской водой. Недавние исследования показали, что обрушение некоторых частей ледникового покрова неизбежно. Но займет ли этот процесс несколько десятилетий или столетий?Исследования ученых Калифорнийского технологического института показывают, что оценки будущих темпов таяния Западно-Антарктического ледяного щита — и, соответственно, будущего повышения уровня моря — были слишком консервативными.
В новом исследовании, опубликованном в Интернете 9 марта в Journal of Glaciology, команда под руководством Виктора Цая, доцента геофизики, обнаружила, что должным образом учитывается кулоновское трение — тип трения, создаваемого скольжением твердых поверхностей друг о друга. — в компьютерных моделях значительно увеличивает оценку того, насколько чувствителен ледяной щит к температурным возмущениям, вызванным изменением климата.В отличие от других ледниковых щитов, которые пришвартованы для приземления над океаном, большая часть ледяного покрова Западной Антарктиды опирается на наклонное дно скалы, лежащее ниже уровня моря. В последнее десятилетие или около того ученые сосредоточились на прибрежной части ледникового щита, где ледяной покров встречается с океаном, называемой «линией заземления», которая имеет жизненно важное значение для точного определения скорости таяния льда на южном континенте.«Наши результаты показывают, что стабильность всего ледяного покрова и наша способность прогнозировать его таяние в будущем чрезвычайно чувствительны к тому, что происходит в очень небольшом регионе прямо у линии заземления.
Крайне важно точно представить физику здесь в численных моделях, — говорит соавтор исследования Эндрю Томпсон, доцент кафедры экологических наук и инженерии Калифорнийского технологического института.Часть морского дна, на котором покоится Западный антарктический ледяной щит, поднимается вверх к океану, что ученые называют «обратным градиентом уклона». Конец ледяного покрова также плавает по поверхности океана, так что океанские течения могут доставлять теплую воду к его основанию и растапливать лед снизу.
Ученые считают, что это «базальное таяние» может привести к отступлению линии заземления вглубь суши, где ледяной покров толще. Поскольку толщина льда является ключевым фактором в контроле разгрузки льда у побережья, ученые опасаются, что отступление линии заземления может ускорить поток внутреннего льда в океаны.
Углубление линии заземления также способствует истончению и таянию шельфовых ледников региона — толстых плавучих продолжений ледяного покрова, которые помогают уменьшить поток льда в море.По словам Цая, многие более ранние модели динамики ледникового покрова пытались упростить вычисления, предполагая, что потеря льда контролируется исключительно вязкими напряжениями, то есть силами, которые действуют на «липкие жидкости», такие как мед, или, в данном случае, на текучий лед. . Таким образом, традиционные модели учитывали обтекание препятствий льдом, но игнорировали трение. «Учет напряжений трения на дне ледяного покрова в дополнение к вязким напряжениям кардинально меняет физическую картину», — говорит Цай.В своем новом исследовании команда Цая использовала компьютерное моделирование, чтобы показать, что, хотя кулоновское трение влияет только на относительно небольшую зону на ледяном щите, оно может иметь большое влияние на течение ледяного потока и общую стабильность ледяного покрова.
В большинстве предыдущих моделей ледяной покров плотно прилегает к дну и создает нисходящее напряжение, которое помогает удерживать его прикрепленным к морскому дну. Кроме того, модели предполагали, что это напряжение остается постоянным до линии заземления, где ледяной покров плавает, и в этот момент напряжение исчезает.Цай и его команда утверждают, что их модель обеспечивает более реалистичное представление — в которой напряжение на дне ледяного покрова постепенно ослабевает по мере приближения к берегам и линии заземления, потому что вес ледяного покрова все больше противодействует давлению воды. у подножия ледника. «Поскольку сильное базальное напряжение сдвига не может возникнуть в кулоновской модели, оно полностью меняет баланс сил на линии заземления», — говорит Томпсон.
Цай говорит, что идея исследовать влияние кулоновского трения на динамику ледяного покрова пришла к нему после перечитывания классического исследования на эту тему американского металлурга и гляциолога Йоханнеса Вертмана из Северо-Западного университета. «Я задавался вопросом, чем может отличаться поведение ледяного покрова, если учесть этот эффект давления воды со стороны океана, о котором Вертман не знал, что это будет важно, когда он опубликовал свою статью в 1974 году», — говорит Цай.Цай подумал, как этого можно достичь, и понял, что ответ может лежать в другой области, в которой он активно участвует: исследования землетрясений. «В сейсмологии кулоновское трение очень важно, потому что землетрясения считаются результатом того, что край одной тектонической плиты скользит по краю другой плиты за счет трения», — сказал Цай. «Это исследование ледникового покрова произошло отчасти потому, что я работаю как над гляциологией, так и над землетрясениями».Если модель Кулона верна, она может иметь важные последствия для прогнозов потери льда в Антарктиде в результате изменения климата.
Действительно, для любого данного повышения температуры модель предсказывает большее изменение скорости таяния льда, чем прогнозировалось в предыдущих моделях. «Мы прогнозируем, что ледяные щиты более чувствительны к таким возмущениям, как температура», — говорит Цай.Хильмар Гудмундссон, гляциолог из Британской антарктической службы в Кембридже, Великобритания, назвал результаты группы «очень важными». «Их работа придает дополнительный вес идее о том, что морской ледяной покров, такой как Западно-Антарктический ледяной щит, действительно или, по крайней мере, может стать нестабильным», — говорит Гудмундссон, не участвовавший в исследовании.Гляциолог Ричард Элли из Университета штата Пенсильвания отметил, что исторические исследования показали, что ледяные щиты могут оставаться стабильными в течение столетий или тысячелетий, а затем внезапно переключаться на другую конфигурацию.
«Если в Западной Антарктиде произойдет еще одно внезапное переключение, уровень моря может сильно подняться, поэтому понимание того, что происходит на линиях заземления, имеет важное значение», — говорит Элли, который также не участвовал в исследовании.«Цай и соавторы сделали еще один важный шаг в решении этой сложной проблемы», — говорит он.