Спутники зафиксировали потерю 12 триллионов тонн льда в Гренландии и Антарктиде — и дело оказалось не в таянии

В массовом представлении убыль полярных льдов выглядит простым процессом: температура воздуха растет, солнечные лучи нагревают поверхность, лед переходит в жидкое состояние и стекает в океан. Однако прямые инструментальные наблюдения показывают, что физика происходящего устроена иначе. Ледяные щиты планеты теряют вещество главным образом не из-за поверхностного таяния, а из-за механического смещения огромных объемов твердого льда в морскую воду.

Группа исследователей в рамках международного проекта IMBIE (Ice Sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise) завершила обработку полувекового массива спутниковых данных. В работе, опубликованной в журнале Scientific Data, сведены воедино результаты наблюдений за ледяными щитами Гренландии и Антарктиды с 1970-х годов по декабрь 2023 года.

Итоговая цифра исследования фиксирует масштаб перемен: за указанный период два полярных региона безвозвратно потеряли 11 309 миллиардов тонн (гигатонн) льда. Этого объема хватило, чтобы поднять средний уровень Мирового океана на 31,4 миллиметра. При этом ключевой вывод работы заключается в распределении причин: 84% всех потерь вызваны динамическим ускорением ледников, и лишь оставшиеся 16% приходятся на превышение поверхностного таяния над выпадением свежего снега.

Три метода измерения: как регистрируют массу ледников из космоса

Точно оценить объем и массу ледового покрова размером с континент с поверхности Земли невозможно. Для этого необходимы спутниковые системы. Однако любой отдельный космический прибор обладает погрешностями и ограничениями. Чтобы получить объективные данные, специалисты объединили 42 независимые оценки, сделанные на основе данных 27 спутниковых миссий.

Все эти измерения делятся на три принципиально разных метода, каждый из которых опирается на собственные физические законы.

1. Спутниковая альтиметрия

Этот метод измеряет геометрию ледника. Орбитальные аппараты, оснащенные лазерными или радиолокационными высотомерами, посылают импульсы к поверхности щита и фиксируют время их возвращения. Повторяя эти замеры по одной и той же сетке координат годами, исследователи строят трехмерные карты изменения высоты рельефа.

Главная сложность метода заключается в переменной плотности снежного покрова. Верхние десятки метров ледника состоят из фирна — зернистого, спрессованного снега прошлых лет, который содержит много воздуха. Если поверхность щита опустилась на один метр, это может означать как реальную потерю льда, так и простое уплотнение фирна под действием собственного веса или ветра. Чтобы отделить изменение плотности от потери реальной массы, ученые используют математические модели уплотнения снега, калиброванные по натурным измерениям в буровых скважинах.

2. Спутниковая гравиметрия

Миссии GRACE и GRACE-FO используют другой подход: они не смотрят на поверхность, а напрямую взвешивают ледники. Два одинаковых спутника летят по одной орбите на расстоянии около двухсот километров друг от друга. Микроволновые и лазерные датчики непрерывно измеряют дистанцию между аппаратами с точностью до микрона.

Когда первый спутник подлетает к району с избыточной массой, увеличенная сила гравитации слегка притягивает его вперед, увеличивая дистанцию между аппаратами. Когда над той же областью пролетает второй спутник, он также ускоряется, восстанавливая дистанцию.

Этот метод фиксирует гравитационные изменения независимо от плотности снега и формы ледников. Однако здесь требуется другая важная поправка — на движение земной коры. Литосфера планеты все еще медленно поднимается вверх, распрямляясь после того, как в конце ледникового периода с нее сошла тяжесть древних ледников. Это движение твердых пород искажает гравитационный сигнал, и его необходимо математически вычитать из общих данных.

3. Метод баланса массы (разность прихода и расхода)

Этот способ рассматривает ледяной щит как замкнутую систему с входящими и исходящими потоками вещества.

Приходная часть — это атмосферные осадки. Их объем рассчитывают региональные климатические модели, которые отслеживают влажность воздуха, циркуляцию атмосферы и интенсивность снегопадов, сверяя результаты с данными наземных метеостанций.

Расходная часть состоит из поверхностного стока талой воды и сброса твердого льда в океан. Скорость движения выводных ледников вычисляют по радиолокационным снимкам, сопоставляя смещение трещин и неровностей за определенный промежуток времени. Затем скорость умножают на толщину льда, которую определяют с помощью авиационных радаров, просвечивающих толщу до каменного основания.

Расчет производят вдоль так называемой линии налегания — границы, где ледник перестает опираться на дно и начинает плавать на воде. Разница между выпавшим снегом и суммой стаявшей воды и ушедшего в море льда дает итоговый баланс массы.

Динамический дисбаланс: почему лед уходит в море

Центральный результат работы заключается в четком разделении потерь на две составляющие: поверхностный баланс массы и динамический дисбаланс.

Поверхностный баланс массы — это разница между тем, сколько снега выпало на ледник за год, и тем, сколько его испарилось или растаяло на поверхности под действием солнечного тепла.

Динамический дисбаланс — это изменение скорости, с которой ледник механически сползает со суши в океан. В устойчивом состоянии лед медленно течет от центра купола к краям под давлением собственной массы, и этот расход компенсируется внутренними снегопадами. Но если скорость движения ледника на побережье резко возрастает, он начинает сбрасывать в воду больше льда, чем успевает накопиться внутри щита. В этом случае ледник истончается и теряет массу даже без прямого таяния на поверхности.

Полученные данные показали, что 84% всех потерь обоих щитов за последние 45 лет объясняются именно этим механическим ускорением. Основной причиной деградации ледников оказывается контакт с нагревающимися океаническими водами у их подножия, а не прогрев воздуха над их поверхностью.

Гренландия: постепенное нарастание потерь

Гренландский ледяной щит исследовался за период с июля 1972 года по декабрь 2023 года. Общие потери составили 6 215 миллиардов тонн льда при среднем темпе убыли 119 гигатонн в год.

История изменения массы острова четко делится на несколько этапов:

• 1970-е годы: Ледяной щит находился в состоянии близком к нулевому балансу. Объемы зимнего накопления снега соответствовали потерям от летнего таяния и откалывания айсбергов.
• 1980-1990-е годы: Равновесие нарушилось. В 1980-х годах Гренландия теряла в среднем 60 гигатонн в год, в 1990-х — 57 гигатонн в год.
• 2000-е годы: Произошло резкое ускорение. Скорость потери массы увеличилась более чем в три раза и достигла 192 гигатонн в год.
• 2010-е годы: Темпы убыли достигли рекордных значений за весь период наблюдений — в среднем 264 гигатонны в год.
• 2020-2023 годы: Средняя скорость снизилась до 199 гигатонн в год.

В Гренландии работают оба механизма разрушения. За весь полувековой срок 67% общей потери массы обеспечил динамический сброс льда выводными ледниками, а 33% пришлось на поверхностное таяние и сток воды.

Однако их вклад менялся со временем. В 2010-х годах наблюдалась серия аномально жарких летних сезонов с формированием устойчивых областей высокого атмосферного давления. В это десятилетие поверхностное таяние впервые превысило механический сброс льда в океан.

В 2020-2023 годах подобных экстремальных температурных аномалий над Гренландией не фиксировалось, поэтому поверхностные потери сократились в два раза. Однако механический сток льда остался на прежнем высоком уровне — около 123 гигатонн ежегодно. Таким образом, даже при возвращении температуры воздуха к более умеренным значениям разогнавшиеся ледники продолжают сбрасывать массу с максимальной интенсивностью.

Отдельное внимание авторы уделили периферийным ледникам и изолированным ледовым шапкам, расположенным по краям Гренландии отдельно от основного щита. Долгое время их вклад недооценивали из-за трудностей картографирования сложного рельефа. Новые расчеты показали, что с 1972 по 2023 год эти краевые массивы теряли в среднем по 8 гигатонн в год, что составило около 7% от суммарных потерь региона. При этом в 2010-х годах скорость их таяния выросла до 18,9 гигатонны в год — в четыре раза выше показателей 1990-х годов.

Антарктида: контраст между западным и восточным секторами

Антарктический ледяной щит исследовался за период с 1979 по 2023 год. Общая потеря массы составила 4 780 миллиардов тонн, что добавило 13,3 миллиметра к среднему уровню океана.

В отличие от Гренландии, где заметную роль играет летнее солнце, потери Антарктиды на 100% обусловлены динамическим сбросом льда. Температура воздуха здесь практически повсеместно держится ниже нуля, поэтому сток талой воды с поверхности отсутствует. Весь лед теряется через механическое разрушение шельфовых ледников и сползание материковых потоков в океан.

При этом континент демонстрирует резкие внутренние различия:

Западная Антарктида

Это наиболее уязвимый сектор континента. Основание ледяного щита здесь расположено значительно ниже уровня моря. Коренное ложе понижается по направлению от океана вглубь суши.

Относительно теплые циркумполярные глубинные океанические воды затекают под плавучие шельфовые ледники и подтачивают их снизу. В результате линия налегания сдвигается вглубь материка вниз по склону. По мере истончения плавучего края исчезает сопротивление трения, и ледяные потоки суши устремляются в воду с нарастающей скоростью.

Потери массы в Западной Антарктиде непрерывно росли каждое десятилетие:

• 1980-е годы: 29 гигатонн в год;
• 1990-е годы: 45 гигатонн в год;
• 2000-е годы: 96 гигатонн в год;
• 2010-е годы: 163 гигатонны в год.

В период 2020-2023 годов механический сброс льда здесь увеличился еще на 38% по сравнению с предыдущим десятилетием, достигнув расхода в 215 гигатонн в год.

Антарктический полуостров

Этот вытянутый на север хребет сильнее всего контактирует с морским воздухом. Разрушение крупных плавучих шельфовых ледников в начале 2000-х годов привело к тому, что подпираемые ими материковые ледники ускорились. Потери выросли с 8 гигатонн в год в 1990-х до 32-33 гигатонн в год в 2000-х и 2010-х годах.

Однако в 2020-2023 годах полуостров приблизился к равновесию за счет снижения скорости сброса льда и значительного выпадения осадков (+22 гигатонны в год).

Восточная Антарктида

Это колоссальный массив льда, лежащий преимущественно на скальном основании выше уровня моря. За 45 лет наблюдений его средний баланс массы практически не изменился и составлял 1 +- 9 гигатонн в год, то есть оставался нейтральным.

Однако в 2022 и 2023 годах атмосферные потоки принесли в Восточную Антарктиду рекордные снегопады. В результате за период 2020-2023 годов восточный сектор накопил избыточную массу в размере 92 гигатонн в год.

Этот избыток снега на востоке временно перекрыл растущие механические потери на западе континента. Из-за этого суммарные потери Антарктиды в последние четыре года сократились до 59 гигатонн в год — показатель оказался в три раза ниже, чем в 2010-х годах (тогда континент терял 202 гигатонны в год).

Однако ученые подчеркивают: стабильность, вызванная снегопадами, имеет временный характер. Обильные осадки — это эпизодическое погодное явление. В свою очередь, динамическое ускорение ледников на западе континента — это устойчивый механический процесс, связанный с прогревом океана. Когда интенсивность снегопадов вернется к норме, общий баланс континента снова уйдет в глубокий минус.

Дефицит измерений на границе ледника и грунта

Сведение разных методов измерений помогло обнаружить географические зоны, где научные оценки пока расходятся. Наибольшие разногласия зафиксированы в Восточной Антарктиде (Земля Эндерби, Земля Принцессы Елизаветы, Земля Королевы Мод, Земля Уилкса).

В этих районах метод баланса массы («вход-выход») показывает умеренную убыль льда, в то время как спутниковая альтиметрия и гравиметрия фиксируют рост массы. Расхождение между оценками достигает 111 гигатонн в год.

Причина расхождения кроется в недостатке прямых геофизических сведений о подледном рельефе. Для расчета расхода льда критически важно знать точную толщину массива непосредственно на линии налегания.

Однако в перечисленных секторах Восточной Антарктиды более 60% протяженности линии налегания не имеют прямых измерений толщины льда ближе пяти километров от границы контакта с водой. Данные радарного зондирования с самолетов в этих краях крайне фрагментарны. Ошибки в оценке глубины подледного ложа приводят к систематическому завышению расчетного расхода льда в методике «вход-выход».

Организация новых радарных съемок подледного рельефа в прибрежной полосе Восточной Антарктиды признана первоочередной задачей для уточнения глобальных климатических моделей.

Значение для прогнозов подъема Мирового океана

Суммарные потери 11 309 миллиардов тонн льда с 1979 по 2023 год обеспечили подъем уровня океана на 31,4 миллиметра. На сегодняшний день сокращение массы ледяных щитов обеспечивает почти четверть от общего глобального повышения уровня моря, опережая тепловое расширение прогревающейся морской воды и таяние горных ледников.

Сам по себе подъем воды на три сантиметра может показаться незначительным, однако в физике океана он работает как сдвиг базового уровня. Во время штормов, тайфунов и сезонных приливов разрушительный эффект определяется не средней высотой воды в штиль, а пиковой высотой гребня волны у береговых укреплений.

Подъем средней линии океана даже на несколько сантиметров меняет статистику прибрежных наводнений: нагонные волны начинают преодолевать дамбы значительно чаще. Явления, которые раньше фиксировались раз в столетие, в низменных прибрежных регионах начинают происходить каждые несколько десятилетий.

Кроме того, полученные данные требуют пересмотра долгосрочных климатических прогнозов. Авторы исследования указывают, что если математические модели учитывают исключительно поверхностное таяние льда от тепла атмосферы, они серьезно недооценивают будущий подъем воды.

Если же в расчеты закладываются установленные механизмы динамической нестабильности — отступление линии налегания, истончение шельфовых ледников и скольжение коренных массивов по увлажненному скальному основанию, — расчетная верхняя граница подъема уровня моря к 2150 году увеличивается в 2,6 раза.

Заключение: масштаб физической инерции

Главный вывод исследования связан с физической инерцией полярных геосистем. Процессы накопления и разрушения континентальных ледяных щитов разворачиваются во временных масштабах сотен и тысяч лет.

Снижение интенсивности поверхностного таяния в Гренландии в 2020-2023 годах или кратковременные снежные рекорды в Восточной Антарктиде способны создать кратковременное впечатление стабилизации ледового покрова. Однако базовый механический тренд остается неизменным.

Океанические воды продолжают подтачивать шельфовые границы ледяных щитов снизу. Сброс льда в океан в ключевых секторах — в Западной Антарктиде и на выводных ледниках Гренландии — продолжает расти или удерживается на рекордных уровнях независимо от текущей погоды над куполом.

Смещение многокилометровых ледовых толщ подчиняется законам механики деформации твердого тела. Этот процесс требует огромного времени для разгона, но после набора скорости точно так же не способен быстро остановиться. Выявленное доминирование динамического сброса льда означает, что полярные щиты вступили в фазу долгосрочной структурной перестройки, которая продолжит определять контуры мировых побережий на протяжении многих поколений.

Источник: Scientific Data