Западная Антарктическая ледяная шапка: структура, динамика и изменения климата.

Введение

Сегмент континентального ледяного щита, покрывающий Западную (или Малую) Антарктиду.

Как меньшая часть Антарктиды, WAIS также более подвержена влиянию изменения климата. С 1950-х годов на ледяном щите наблюдается потепление, однако для его поддержания требуется дальнейший рост температуры. Вес льда вызвал опускание подстилающей скальной породы на величину в процессе, известном как изостатическое оседание. Под действием собственного веса ледяной щит деформируется и медленно течет по неровному скальному основанию. Ледяные хребты – это области, где движение ледяного щита замедлено из-за примораживания ко дну, в то время как ледяные потоки движутся значительно быстрее, поскольку под ними находится жидкая вода. Эта вода либо представлена морскими отложениями, покрывавшими дно океана до образования ледяного щита, либо образовалась в результате эрозии, вызванной постоянным трением льда о скальное основание. Вода в этих отложениях остается в жидком состоянии, поскольку земная кора под ледяными потоками тонкая и хорошо проводит тепло от геотермальной активности, а также из-за того, что трение генерирует значительное количество тепла, особенно на границах между ледяными потоками и ледяными хребтами. Достигая берега, лёд либо откалывается, либо продолжает течь в океан, образуя большой плавучий шельфовый ледник, прикреплённый к континенту. Эти шельфовые ледники сдерживают поток льда в океан, пока они существуют.

Западно-Антарктическая рифтовая система

Западно-Антарктическая рифтовая система (WARS) — одна из крупнейших активных континентальных рифтовых зон на Земле. Подледный вулканизм был обнаружен и, как известно, влияет на движение ледников. В 2017 году геологи из Эдинбургского университета обнаружили 91 вулкан, расположенных на глубине двух километров под ледяной поверхностью, что делает этот регион крупнейшим вулканическим регионом на Земле. Быстродвижущиеся ледяные потоки в районе побережья Сипл, прилегающего к восточному краю шельфового ледника Росса, испытывают влияние смазывающего действия воды, насыщенной моренным материалом в грабенах, ограниченных разломами внутри рифтовой зоны, что может ускорить разрушение ледникового покрова при более интенсивных изменениях климата.

История

Как и другие ледяные щиты, Западно-Антарктический ледяной щит претерпел значительные изменения в размерах в течение своей истории. До примерно 400 000 лет назад состояние WAIS в значительной степени определялось влиянием солнечной активности на теплосодержание Южного океана, и он нарастал и уменьшался в соответствии с 41 000-летним циклом. Около 80 000 лет назад его размер был сопоставим с нынешним, но затем он значительно увеличился, пока его протяженность не достигла границ континентальных шельфов Антарктиды во время последнего ледникового максимума примерно 30 000 лет назад. Затем он сократился примерно до своего доиндустриального состояния около 3000 лет назад, или в период Эемьяна примерно 130 000 лет назад. В 2009 году потепление в регионе с 1957 года оценивалось в более чем в десятилетие. Это потепление наиболее выражено на Антарктическом полуострове. Исследование 2012 года показало, что Западно-Антарктический ледяной щит потеплел на с 1958 года, что составляет около в десятилетие, что почти вдвое превышает оценку 2009 года. В 2022 году потепление центральной части WAIS в период с 1959 по 2000 год оценивалось в в десятилетие, причем это изменение однозначно связывалось с увеличением концентрации парниковых газов. [[Файл:Dotto 2022 PIB meltwater.png|thumb|left|upright=1.2|Распределение очагов таяния, вызванных потерей льда в заливе Пайн-Айленд, где расположены ледники Твейтс (TEIS обозначает Восточный ледниковый шельф Твейтса) и Пайн-Айленд. С 2005 по 2010 год считалось, что таяние WAIS ежегодно добавляло к глобальному повышению уровня моря. Около 2012 года общая потеря массы Западно-Антарктического ледяного щита оценивалась в 118 ± 9 гигатонн в год. Последующие спутниковые наблюдения показали, что потеря льда в Западной Антарктиде увеличилась с 53 ± 29 гигатонн в год в 1992 году до 159 ± 26 гигатонн в год в 2017 году, что привело к в повышении уровня моря в Антарктике. К 2023 году ~150 гигатонн в год стали средним годовым показателем потери массы с 2002 года, что эквивалентно ежегодного повышения уровня моря. Прибрежные ледники обычно поддерживаются ледниковыми шельфами – массивными блоками плавучего льда, примыкающими к леднику. Однако ледниковые шельфы тают относительно быстро, поскольку постоянно находятся в контакте с потепляющимися океаническими водами. Отступление ледников существенно ускоряется после их разрушения и прекращения структурной поддержки ледника, а также когда теплая вода может беспрепятственно поступать к леднику. Около 2005 года считалось, что они теряют на 60% больше массы, чем набирают, и вносят около в год в глобальное повышение уровня моря. Сравнение текущих темпов отступления на восточной стороне Твейтса (слева) и прогнозируемых после разрушения ледникового шельфа Твейтса. Из этих трех ледник Твейтса наиболее известен, вплоть до того, что некоторые в прессе прозвали его «ледником Судного дня», хотя многие ученые считают это преувеличением и неточностью. Причина для беспокойства по поводу Твейтса заключается в том, что он испытывает значительную потерю массы, по крайней мере, с начала 1990-х годов, в то время как его местная топография морского дна не создает препятствий для быстрого отступления, а его наиболее уязвимые части расположены ниже уровня моря. Ледник начнет испытывать значительные потери «в течение десятилетий» после разрушения шельфа, а его ежегодный вклад в повышение уровня моря увеличится с нынешних 4% до 5%, хотя для полного исчезновения потребуются еще столетия.

Like the other ice sheets, West Antarctic Ice Sheet had undergone significant changes in size during its history. Up until around 400,000 years ago, the state of WAIS was largely governed by the effects of solar variation on heat content of the Southern Ocean, and it waxed and waned in accordance with a 41,000 year long cycle. Around 80,000 years ago, its size was comparable to now, but then it grew substantially larger, until its extent reached the margins of Antarctica's continental shelves during the Last Glacial Maximum ~30,000 years ago. It then shrunk to around its preindustrial state some 3,000 years ago. or the Eemian period ~130,000 years ago. In 2009, the warming of the region since 1957 was estimated as exceeding per decade. This warming of is at its strongest in the Antarctic Peninsula. 2012 research found that the West Antarctic ice sheet had warmed by since 1958 around per decade, which was almost double the 2009 estimate. In 2022, Central WAIS warming between 1959 and 2000 was estimated at per decade, with this change conclusively attributed to increases in greenhouse gas concentrations. [[File:Dotto 2022 PIB meltwater. png|thumb|left|upright=1.2|Distribution of meltwater hotspots caused by ice losses in Pine Island Bay, the location of both Thwaites (TEIS refers to Thwaites Eastern Ice Shelf) and Pine Island Glaciers. Between 2005 and 2010, WAIS melting was thought to have added to global sea levels every year. Around 2012, the total mass loss from the West Antarctic Ice Sheet was estimated at 118 ± 9 gigatonnes per year. Subsequent satellite observations revealed that the West Antarctic ice loss increased from 53 ± 29 gigatonnes per year in 1992 to 159 ± 26 gigatonnes per year in 2017, resulting in of Antarctica sea level rise. By 2023, ~150 gigatonnes per year became the average annual rate of mass loss since 2002, equivalent to of annual sea level rise. Coastal glaciers are typically buttressed by ice shelves, which are massive blocks of floating ice next to a glacier. Yet, the ice shelves melt relatively quickly, as they are constantly in contact with the warming ocean water. Glacier retreat accelerates substantially once they collapse and stop providing structural support to the glacier, and once warm water can flow to the glacier unimpeded. Around 2005, they were thought to lose 60% more mass than what they have gained, and to contribute about per year to global sea level rise. thumb|upright=1.1|The comparison of current rates of retreat on the eastern side of Thwaites (left) and ones projected after the collapse of the Thwaites Ice Shelf. Of the three, Thwaites Glacier is the best known, to the point of being nicknamed the "Doomsday Glacier" by some in the press, although many scientists consider it alarmist and inaccurate. The reason for concern about Thwaites is because it had been experiencing substantial mass loss since at least the early 1990s, while its local seabed topography provides no obstacles to rapid retreat, with its most vulnerable parts located below the sea level. The glacier would start to see major losses "within decades" after the ice shelf's failure, and its annual contribution to sea level rise would increase from the current 4% to 5%, although it would still take centuries to disappear entirely.

Прогнозируемая потеря льда в XXI веке

Ледник Твейтса, с его уязвимой подстилающей топографией. По мере того как Западно-Антарктический ледяной щит теряет лед из-за потепления океана, растапливающего его прибрежные ледники, он неизбежно способствует повышению уровня моря. Однако прогнозы усложняются дополнительными процессами, которые трудно смоделировать, такими как талая вода от самого ледяного щита, изменяющая местную циркуляцию течений из-за того, что она теплее и менее соленая, чем океаническая вода. Другой сложный процесс – гидроразрыв, когда талая вода, накапливающаяся на поверхности ледяного щита, может собираться в трещины и расширять их, дополнительно подрывая его целостность. Изменение климата меняет ветры над Антарктидой, что также может влиять на циркуляцию поверхностных течений, но значимость этого процесса оспаривается. WAIS может быть еще более уязвим в соответствии с так называемой гипотезой нестабильности морских ледяных обрывов (MICI). Она предполагает, что при таянии ледникового шельфа он не только быстрее отступит, но и быстро обрушится под собственным весом, если высота его обрывов превысит определенный порог. Этот конкретный процесс никогда не наблюдался и даже был исключен в некоторых более детальных моделях, но он все еще добавляет неопределенности в прогнозы уровня моря. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) долгое время сталкивалась с ограниченной информацией о MISI. В 2001 году в Третьем оценочном докладе МГЭИК упоминалась возможность такого распада и был дан расплывчатый долгосрочный прогноз того, что тогда описывалось как гипотетическое явление. В 2007 году в Четвертом оценочном докладе МГЭИК не было никаких упоминаний об этом из-за возросшей неопределенности, и ряд ученых раскритиковали это решение как чрезмерно консервативное. В Пятом оценочном докладе МГЭИК 2013/2014 годов (AR5) снова не удалось оценить риск, но было указано со средней степенью достоверности, что MISI может добавить до нескольких десятков сантиметров к повышению уровня моря в XXI веке. В докладе прогнозировалось, что при отсутствии нестабильности WAIS вызовет повышение уровня моря примерно на 0,5 метра в соответствии со сценарием низких выбросов RCP2.6. Сценарий высоких выбросов RCP8.5 привел бы к несколько меньшему отступлению WAIS – на 0,3 метра, из-за расчетов, показывающих, что поверхность будет набирать больше массы. Это возможно, потому что влияние изменения климата на водный цикл приведет к увеличению количества снега на поверхности ледяного щита, который вскоре уплотнится в большее количество льда, что может компенсировать некоторые потери с побережья. [[File:Horton2020 SLR influences. png|thumb|left|upright=0.9|В 2020 году эксперты рассмотрели исследование 2016 года о нестабильности морских ледяных обрывов.] Исследование 2016 года под руководством Джима Хансена представило гипотезу об уязвимом обрушении ледяного щита, приводящем к экспоненциальному ускорению повышения уровня моря в ближайшем будущем, со временем удвоения в 10, 20 или 40 лет, что приведет к повышению уровня моря на несколько метров через 50, 100 или 200 лет. Однако это остается мнением меньшинства в научном сообществе. Для сравнения, опрос 2020 года 106 экспертов показал, что их 5–95% доверительный интервал повышения уровня моря к 2100 году для сценария высоких выбросов RCP8.5 составлял 0,6–1,1 метра. Их прогнозы высокого уровня также включали как нестабильность ледяного щита, так и нестабильность ледяных обрывов: эксперты сочли исследования нестабильности ледяных обрывов столь же или даже более влиятельными, чем Пятый оценочный доклад МГЭИК. Следовательно, когда Шестой оценочный доклад МГЭИК (AR6) был опубликован в 2021–2022 годах, в нем было оценено, что, хотя медианное повышение уровня моря от таяния Западно-Антарктического ледяного щита к 2100 году составит около 0,3 метра при всех сценариях выбросов (поскольку усиление потепления усилит водный цикл и увеличит накопление снега над ледяным щитом примерно с той же скоростью, что и увеличение потери льда), он теоретически может способствовать повышению уровня моря до 0,5 метра к 2100 году при сценарии низких выбросов и до 1 метра при самом высоком сценарии выбросов из-за вышеупомянутых неопределенностей. Также было предложено, что к 2300 году роль Антарктиды в повышении уровня моря лишь незначительно увеличится по сравнению с 2100 годом, если будет следовать сценарию низких выбросов RCP2.6, внося лишь медианную долю в 0,1 метра. С другой стороны, даже минимальная оценка таяния Западной Антарктиды в соответствии со сценарием высоких выбросов составит не менее 0,8 метра, в то время как медианное значение составит 1,5 метра, а максимальное – 3 метра.

thumb|left|Thwaites Glacier, with its vulnerable bedrock topography visible. As the West Antarctic Ice Sheet loses ice due to the warming ocean water melting its coastal glaciers, it inevitably contributes to sea level rise. However, projections are complicated by additional processes that are difficult to model, such as meltwater from the ice sheet itself changing local current circulation due to being warmer and fresher than the ocean water. Another complicated process is hydrofracturing, where meltwater collecting atop the ice sheet may pool into fractures and force them open, further damaging its integrity. Climate change alters winds above Antarctica, which can also affect surface current circulation, but the importance of this process has been disputed. WAIS could be even more vulnerable under the so called marine ice cliff instability hypothesis (MICI). It suggests that when a glacier's ice shelf melts, it would not just retreat faster, but rapidly collapse under own weight if the height of its cliffs was greater than This particular process has never been observed and was even ruled out by some of the more detailed modelling, but it still adds to the uncertainty in sea level projections. The Intergovernmental Panel on Climate Change has wrestled with the limited information about MISI for a long time. In 2001, IPCC Third Assessment Report mentioned the possibility of such disintegration and provided a vague long term estimate for what it then described as a hypothetical. In 2007, IPCC Fourth Assessment Report omitted any mention of it due to increased uncertainty increased, and a number of scientists crititized that decision as excessively conservative. The 2013/2014 IPCC Fifth Assessment Report (AR5) was again unable to describe the risk, but it stated with medium confidence that MISI could add up to several tens of centimeters to 21st century sea level rise. The report projected that in the absence of instability, WAIS would cause around of sea level rise under the low emission scenario RCP2.6. High emission scenario RCP8.5 would have slightly lower retreat of WAIS at , due to calculations that the surface would be gaining more mass. This is possible because effects of climate change on the water cycle would add more snow to the surface of the ice sheet, which is soon compressed into more ice, and this could offset some of the losses from the coasts. [[File:Horton2020 SLR influences. png|thumb|left|upright=0.9|In 2020, experts considered 2016 research on marine ice cliff instability A 2016 study led by Jim Hansen presented a hypothesis of vulnerable ice sheet collapse leading to near term exponential sea level rise acceleration, with a doubling time of 10, 20 or 40 years, which would then lead to multi meter sea level rise in 50, 100 or 200 years. However, it remains a minority view amongst the scientific community. For comparison, year 2020 survey of 106 experts found that their 5% 95% confidence interval of 2100 sea level rise for the high emission scenario RCP8.5 was Their high level projections also included both ice sheet and ice cliff instability: the experts found ice cliff instability research to be just as or even more influential as the IPCC Fifth Assessment report. thumb|If countries cut greenhouse gas emissions significantly (lowest trace), then sea level rise by 2100 can be limited to Consequently, when the IPCC Sixth Assessment Report (AR6) was published in 2021 2022, it estimated that while the median increase in sea level rise from the West Antarctic ice sheet melt by 2100 would be ~ under all emission scenarios (since the increased warming would intensify the water cycle and increase snowfall accumulation over the ice sheet at about the same rate as it would increase ice loss), it can conceivably contribute up to by 2100 under the low emission scenario and up to under the highest emission one, due to the aforementioned uncertainties. It had also been suggested that by the year 2300, Antarctica's role in sea level rise would only slightly increase from 2100 if the low emission RCP2.6 scenario was followed, only contributing a median of On the other hand, even the minimum estimate of West Antarctica melting under the high emission scenario would be no less than , while the median would amount to and the maximum to .