Введение
Различие между накоплением и таянием на леднике
Ключевым фактором для выживания ледника является его баланс массы, который включает в себя баланс массы поверхности (SMB) – разницу между накоплением и абляцией (сублимацией и таянием). Изменение климата может вызывать колебания как температуры, так и количества снегопадов, что приводит к изменениям в балансе массы поверхности. Изменения в балансе массы определяют долгосрочное поведение ледника и являются наиболее чувствительными индикаторами климата на леднике. С 1980 по 2012 год средняя совокупная потеря массы ледников, предоставляющих данные о балансе массы Всемирной службе мониторинга ледников, составила −16 м. Это включает в себя 23 последовательных года с отрицательным балансом массы. Основным признаком дисбаланса ледника является истончение по всей его длине. Например, ледник Истон (изображен ниже) вероятно уменьшится вдвое, но скорость уменьшения замедлится, и он стабилизируется в этом размере, несмотря на повышение температуры, в течение нескольких десятилетий. Однако ледник Гриннелл (изображен ниже) будет сокращаться с ускоряющейся скоростью, пока полностью не исчезнет. Разница заключается в том, что верхняя часть ледника Истон остается здоровой и покрытой снегом, в то время как даже верхняя часть ледника Гриннелл обнажена, тает и истончается. Небольшие ледники с пологими склонами, такие как ледник Гриннелл, наиболее подвержены дисбалансу при изменении местного климата. В случае положительного баланса массы ледник продолжит продвигаться, расширяя свою нижнюю область, что приведет к увеличению таяния. Если этого недостаточно для достижения равновесия, ледник продолжит продвигаться. Если ледник расположен вблизи большого водоема, особенно океана, он может продвигаться до тех пор, пока потери от откола айсбергов не приведут к равновесию.
Накопление
Различные процессы, посредством которых ледник может увеличивать свою массу, в совокупности называются аккумуляцией. Снегопад – наиболее очевидная форма аккумуляции. Лавины, особенно в крутых горных районах, также могут добавлять массу леднику. Другие способы включают отложение снега, переносимого ветром; замерзание жидкой воды, включая дождевую и талую воду; отложение инея и других форм мороза; а также увеличение площади плавучего льда за счет примерзания к нему дополнительного льда. Снегопад является основной формой аккумуляции в целом, но в определенных ситуациях другие процессы могут быть более значимыми; например, лавины могут иметь гораздо большее значение, чем снегопад, в небольших карных котловинах. Аккумуляцию можно измерять в одной точке на леднике или на любой его площади. Единицей измерения аккумуляции является метр: 1 метр аккумуляции означает, что дополнительная масса льда для данной площади, при переходе в воду, увеличит толщину ледника на 1 метр.
Абляция
Абляция – это обратный процесс накоплению: она включает в себя все процессы, посредством которых ледник может терять массу. Основным процессом абляции для большинства ледников, полностью расположенных на суше, является таяние; тепло, вызывающее таяние, может поступать от солнечного света, окружающего воздуха, дождя, выпадающего на ледник, или геотермального тепла из-под ледникового ложа. Сублимация льда, переходящего непосредственно в пар, является важным механизмом абляции для ледников в засушливых условиях, на больших высотах и в очень холодных регионах, и в некоторых случаях может объяснять всю потерю поверхностного льда, например, на леднике Тейлор в Трансантарктических горах. Сублимация требует значительных затрат энергии по сравнению с таянием, поэтому высокие уровни сублимации приводят к снижению общей абляции. Снег также может выветриваться с ледников ветром, а лавины могут удалять снег и лёд; эти процессы могут быть значимыми для некоторых ледников. Откол (или калвинг), при котором лёд отделяется от конца ледника, заканчивающегося в воде и образующего айсберги, является важной формой абляции для многих ледников. "Балансовый год" определяется как период между двумя последовательными минимумами массы ледника – то есть, от начала одного сезона накопления до начала следующего. Поверхность снега в этих минимумах, где снег начинает вновь накапливаться с началом каждого сезона накопления, определяется по стратиграфии снега, поэтому использование балансовых лет для измерения баланса массы ледника называется стратиграфическим методом. Альтернативой является использование фиксированной календарной даты, но это требует ежегодного посещения ледника в эту дату, и поэтому не всегда возможно строго соблюдать точные даты для метода с фиксированным годом.
Чистый баланс
Чистый баланс – это баланс массы, определяемый между последовательными минимумами баланса массы. Это стратиграфический метод, основанный на минимумах, представляющих стратиграфический горизонт. В северных умеренных широтах год ледника соответствует гидрологическому году, начинающемуся и заканчивающемуся в начале октября. Минимум баланса массы приходится на конец сезона таяния. Чистый баланс затем определяется как сумма наблюдаемого зимнего баланса (bw), обычно измеряемого в апреле или мае, и летнего баланса (bs), измеряемого в сентябре или начале октября.
Годовой баланс
Годовой баланс — это изменение массы, измеренное за определенный год. Измерение массы производится в фиксированную дату каждый год, обычно в начале октября в умеренных северных широтах.
Геодезические методы
Геодезические методы – это косвенный способ определения баланса масс ледника. Карты ледника, созданные в разные моменты времени, могут быть сопоставлены, а разница в наблюдаемой толщине ледника использована для определения изменения баланса масс за несколько лет. Наиболее эффективно это достигается сегодня с помощью дифференциальной глобальной системы позиционирования (DGPS). Иногда самые ранние данные о профилях поверхности ледника получают из изображений, используемых для создания топографических карт и цифровых моделей рельефа. Аэрофотосъемка или фотограмметрия сейчас применяется для охвата крупных ледников и ледяных щитов, таких как в Антарктиде и Гренландии, однако из-за сложностей с установкой точных наземных контрольных точек в гористой местности и сопоставлением деталей на снегу, особенно при наличии теней, погрешности высоты обычно составляют не менее 10 м (32 фута). Лазерная альтиметрия позволяет измерять высоту ледника вдоль определенного пути, например, по центральной линии ледника. Разница между двумя такими измерениями отражает изменение толщины, что позволяет определить баланс масс за период времени между измерениями.
Исследования массового баланса во всем мире
Исследования массового баланса проводились в различных странах мира, но преимущественно в Северном полушарии, поскольку именно там сосредоточено больше ледников умеренных широт. Всемирная служба мониторинга ледников ежегодно собирает данные измерений массового баланса со всего мира. В период с 2002 по 2006 год непрерывные данные были доступны только для 7 ледников в Южном полушарии и 76 ледников в Северном полушарии. Средний баланс этих ледников достиг наиболее отрицательного значения за рассматриваемый период в 2005/06 году. Сходство реакции ледников в западной части Северной Америки свидетельствует о крупномасштабном характере изменений климата, которые являются основной причиной происходящего.
Аляска
Ледник Таку, расположенный недалеко от Джуно, Аляска, изучается Исследовательской программой ледникового поля Джуно с 1946 года и представляет собой самое продолжительное непрерывное исследование баланса масс среди всех ледников Северной Америки. Таку – самый толстый известный в мире умеренный альпийский ледник, который в период с 1946 по 1988 год демонстрировал положительный баланс масс, что привело к значительному продвижению. С тех пор у ледника наблюдается отрицательная тенденция в балансе масс. Исследовательская программа ледникового поля Джуно также изучает баланс масс ледника Лемон-Крик с 1953 года. Среднегодовой баланс масс ледника с 1953 по 2006 год составил −0,44 м, что привело к средней потере толщины льда более чем на 27 м. Эта потеря подтверждена данными лазерной альтиметрии.
Массовый баланс австрийских ледников
Массовый баланс ледников Hintereisferner и Kesselwandferner в Австрии непрерывно отслеживается с 1952 и 1965 годов соответственно. Благодаря 55 годам непрерывных измерений, Hintereisferner является одним из ледников, период непрерывного изучения которого является самым длительным в мире, основываясь на измеренных данных и последовательной методике оценки. В настоящее время эта измерительная сеть состоит примерно из 10 снежных ям и около 50 абляционных шестов, распределенных по всей площади ледника. Что касается кумулятивного удельного баланса, то Hintereisferner испытал чистую потерю массы в период с 1952 по 1964 год, после чего последовал период восстановления до 1968 года. Hintereisferner достиг локального минимума в 1976 году, кратковременно восстановился в 1977 и 1978 годах и с тех пор непрерывно теряет массу в течение 30 лет. Общая потеря массы с 1952 года составила 26 м. Ледник Sonnblickkees измеряется с 1957 года и потерял 12 м массы, что соответствует средней годовой потере в −0,23 м.
Новая Зеландия
Исследования массового баланса ледников в Новой Зеландии проводятся с 1957 года. С тех пор Тасманский ледник изучался Геологической службой Новой Зеландии, а затем Министерством общественных работ, с измерением стратиграфии льда и общего движения. Однако, еще более ранние колебания были задокументированы на ледниках Франца-Иосифа и Фокса в 1950 году. Другие ледники на Южном острове, такие как ледник Айвори, изучаются с 1968 года, в то время как на Северном острове исследования отступления ледников и баланса массы на ледниках горы Руапеху ведутся с 1955 года. На горе Руапеху постоянные фотостанции позволяют проводить повторную фотосъемку, предоставляя фотографические свидетельства изменений ледников на горе с течением времени. Аэрофотосъемка 50 ледников на Южном острове осуществлялась почти каждый год с 1977 года. Полученные данные показали, что в период с 1976 по 2005 год объем ледников уменьшился на 10%.
Программа массового баланса ледника Северная Каскада
Проект изучения климата ледников Северного Каскада измеряет годовой баланс 10 ледников – больше, чем любая другая программа в Северной Америке – для мониторинга всего ледникового горного массива, который в 1983 году был признан Национальной академией наук объектом высокого приоритета. Эти данные охватывают период с 1984 по 2008 год и представляют собой единственный непрерывный ряд наблюдений, документирующих изменения массового баланса всего ледникового массива. Средний годовой баланс ледников Северного Каскада с 1984 по 2008 год составлял −0,48 м в год, что привело к общей потере толщины более 13 м, или 20–40% от их первоначального объема, из-за отрицательного массового баланса. Наблюдаемая тенденция к увеличению отрицательного массового баланса усиливает отступление и истончение ледников.
Программа массового баланса Норвегии
Норвегия поддерживает самую обширную в мире программу мониторинга баланса масс ледников и финансируется в основном за счет средств гидроэнергетической отрасли. В настоящее время (2012 год) измерения баланса масс проводятся на пятнадцати ледниках Норвегии. В южной Норвегии шесть ледников измеряются непрерывно с 1963 года или ранее, образуя западно-восточный профиль, простирающийся от прибрежного ледника Ольфотбреен, расположенного вблизи западного побережья, до континентального ледника Гросубрин в восточной части Йотунхеймена. Ледник Сторбрин в Йотунхеймене наблюдается с 1949 года, что является самым длительным периодом наблюдений для любого ледника в Норвегии, а ледник Энгабрин при Свартисене имеет самую продолжительную серию наблюдений в северной Норвегии, начиная с 1970 года. Именно в рамках норвежской программы были разработаны традиционные методы измерения баланса масс ледников.
Швеция Storglaciären
Исследовательская станция Тарфала в регионе Кебнекайсе на севере Швеции управляется Стокгольмским университетом. Именно здесь сразу после Второй мировой войны была инициирована первая программа изучения баланса массы ледников, которая продолжается и по сей день. Эта работа положила начало ведению данных о балансе массы ледника Сторгласьярен и представляет собой самое продолжительное непрерывное исследование такого рода в мире. С 1946 по 2006 год кумулятивный отрицательный баланс массы ледника Сторгласьярен составил −17 м. Программа начала мониторинг ледника Работс в 1982 году, ледника Риукойетна в 1985 году и ледника Мормагласьярен в 1988 году. Все три этих ледника демонстрировали выраженный отрицательный баланс массы с момента начала наблюдений.
Массовый баланс ледников Исландии
Массовый баланс ледников измеряется один или два раза в год на множестве скважин и шестов на нескольких ледниковых покровах Исландии Национальным энергетическим управлением. Регулярные измерения массового баланса по данным скважин и шестов проводятся на северном склоне Хофсйёкулла с 1988 года, а также на Трёндарйёкулле с 1991 года. Профили массового баланса (по данным скважин и шестов) были созданы на восточном и юго-западном склонах Хофсйёкулла с 1989 года. Аналогичные профили были изучены на выводных ледниках Туннаарйёкулла, Дынгьюйёкулла, Кельдуквисларьёкулла и Бруарйёкулла Ватнайёкулла с 1992 года и на выводном леднике Эйябаккаяёкулла с 1991 года.
Швейцарская программа массового баланса
Временные изменения в пространственном распределении массового баланса обусловлены главным образом изменениями аккумуляции и абляции на поверхности ледников. Следовательно, изменения массы ледников отражают изменения климата и энергетического обмена на поверхности Земли. Швейцарские ледники Грис в Центральных Альпах и Сильвретта в Восточных Альпах измеряются на протяжении многих лет. Распределение сезонной аккумуляции и скорости абляции измеряется непосредственно в полевых условиях. Традиционные полевые методы сочетаются с методами дистанционного зондирования для отслеживания изменений массы, геометрии и динамики течения этих двух ледников. Данные исследования вносят вклад в Швейцарскую сеть мониторинга ледников и международную сеть Всемирной службы мониторинга ледников (WGMS).
Геологическая служба США (USGS)
USGS осуществляет долгосрочную программу мониторинга эталонных ледников, которая используется для изучения изменения климата, баланса масс ледников, движения ледников и стока рек, питаемых талыми водами. Эта программа проводится с 1965 года и посвящена, в частности, изучению трех ледников. Ледник Гулкана в хребте Аляска и ледник Вольверин в Прибрежных хребтах Аляски наблюдаются с 1965 года, а ледник Южный Каскад в штате Вашингтон – непрерывно с Международного геофизического года 1957 года. В рамках этой программы ведется мониторинг одного ледника в каждом из этих горных массивов, собираются детальные данные для понимания гидрологии ледников и взаимодействия ледников с климатом.
Геологический обзор Канады - Глациологический отдел (ГСК)
ГСЦ управляет Канадской системой наблюдения за климатом ледников в рамках своей программы геонауки по изменению климата. Вместе со своими университетскими партнерами ГСЦ проводит мониторинг и исследования изменений климата ледников, водных ресурсов и изменений уровня моря, используя сеть опорных наблюдательных пунктов, расположенных в Кордильерах и Канадском Арктическом архипелаге. Эта сеть дополняется данными дистанционного зондирования для оценки региональных изменений ледников. В Кордильерах расположены ледники Хелм, Плейс, Андрей, Каскаквулш, Хейг, Пейто, Река Рам, Касл-Крик, Квадача и Болонья-Крик; в Арктическом архипелаге – ледники Уайт, Бэби и Грайз, а также ледяные щиты Девон, Миген, Мелвилл и Агассиз. Опорные пункты ГСЦ контролируются с использованием стандартного стратиграфического (основанного на кольях) метода гляциологических исследований и периодических геодезических измерений с помощью аэролидаров. Подробная информация, контактные данные и база данных доступны здесь: ледник Хелм (−33 м) и ледник Плейс (−27 м) потеряли более 20% своего общего объема с 1980 года, а ледник Пейто (−20 м) приближается к этой отметке. Канадский арктический ледник Уайт с 1980 года не показал столь значительного уменьшения объёма (−6 м).
Сеть массового баланса Боливии
Сеть мониторинга ледников в Боливии, являющаяся частью гляциогидрологической системы наблюдения, установленной IRD и партнерами в тропических Андах с 1991 года, осуществляла мониторинг баланса массы ледников Зонго (6000 м над уровнем моря), Чакалтайя (5400 м над уровнем моря) и Чаркини (5380 м над уровнем моря). Для этого использовалась система шестов с регулярными полевыми наблюдениями, проводимыми до ежемесячно. Эти измерения проводились совместно с анализом энергетического баланса для выявления причин быстрого отступления и потери массы этих тропических ледников.
Массовый баланс в бывшем СССР
В настоящее время в России и Казахстане существуют гляциологические станции. В России есть 2 станции: ледник Джангуат на Кавказе, расположенный вблизи горы Эльбрус, и ледник Актру в Алтайских горах. В Казахстане есть гляциологическая станция на леднике Туюк Су в Тянь-Шане, расположенная недалеко от города Алматы.
Модель массового баланса PTAA
Недавно разработанная модель баланса ледников, основанная на принципах Монте-Карло, является перспективным дополнением как к ручным полевым измерениям, так и к геодезическим методам измерения баланса массы с использованием спутниковых изображений. Модель PTAA (осадки, температура, площадь, высота) требует только ежедневных наблюдений за осадками и температурой, собранных на обычно расположенных на небольшой высоте метеостанциях, и распределения площади по высоте для ледника. Результатом являются ежедневное накопление снега (Bc) и абляция (Ba) для каждого высотного интервала, которые преобразуются в баланс массы по формуле Bn = Bc – Ba. Накопление снега (Bc) рассчитывается для каждого интервала высоты на основе наблюдаемых осадков на одной или нескольких метеостанциях, расположенных на более низкой высоте в том же регионе, что и ледник, и трех коэффициентов, преобразующих осадки в накопление снега. Необходимо использовать хорошо зарекомендовавшие себя метеостанции с длительными непрерывными данными, чтобы можно было определить среднегодовые значения и другие статистические показатели. Абляция (Ba) определяется на основе температуры, наблюдаемой на метеостанциях вблизи ледника. Суточные максимальные и минимальные температуры преобразуются в абляцию ледника с использованием двенадцати коэффициентов. Пятнадцать независимых коэффициентов, используемых для преобразования наблюдаемой температуры и осадков в абляцию и накопление снега, применяют процедуру оптимизации симплекс-методом. Симплекс автоматически и одновременно вычисляет значения для каждого коэффициента, используя принципы Монте-Карло, основанные на случайной выборке для получения численных результатов. Аналогично, модель PTAA выполняет многократные расчеты баланса массы, незначительно корректируя баланс на каждой итерации. Модель PTAA была протестирована на восьми ледниках на Аляске, в Вашингтоне, Австрии и Непале. Рассчитанные годовые балансы сравниваются с измеренными балансами за период примерно в 60 лет для каждого из пяти ледников: Волк и Гулькана на Аляске, Хинтерейсфернер, Кессельвандфернер и Вернагтфернер в Австрии. Она также была применена к леднику Лангтанг в Непале. Результаты этих тестов представлены на веб-сайте GMB (баланс массы ледников) по адресу ptaagmb.com. Линейные регрессии между результатами модели и ручными измерениями баланса основаны на подходе разделенной выборки, чтобы обеспечить независимость рассчитанных балансов массы от температуры и осадков, используемых для их расчета. Регрессия модели против измеренных годовых балансов дает значения R2 от 0,50 до 0,60. Применение модели к леднику Беринга на Аляске показало хорошее соответствие с потерей объема льда за период 1972–2003 гг., измеренной геодезическим методом. Определение баланса массы и стока частично покрытого обломочным материалом ледника Лангтанг в Непале демонстрирует применение этой модели к леднику в Гималайском хребте. Корреляция между абляцией ледников в хребте Врангеля на Аляске и глобальными температурами, наблюдаемыми на 7000 метеостанциях в Северном полушарии, указывает на то, что ледники более чувствительны к глобальному климату, чем отдельные метеостанции, которые не демонстрируют подобных корреляций. Валидация модели для демонстрации реакции ледников на северо-западе Соединенных Штатов на будущие изменения климата представлена в иерархическом подходе к моделированию. Климатическое понижение масштаба для оценки массы ледников с использованием модели PTAA применяется для определения баланса ледников Беринга и Хаббарда, а также подтверждено для Гульканы, эталонного ледника USGS.