Мы только начинаем понимать антарктический Туэйтс, самый уязвимый ледник в мире
Эта статья взята из журнала Hakai Magazine, интернет-издания о науке и обществе в прибрежных экосистемах. Читайте больше подобных историй на сайте hakaimagazine.com.
БАРАН! Ярко-красный корпус ледокола береговой охраны США Glacier врезался в лед. Каждая заклепка 95-метрового корабля содрогнулась от удара. Это был 1985 год, и исследователи на борту плыли через одно из самых отдаленных мест в мире: море Амундсена, Антарктида. Находившаяся на борту аспирантка Джилл Сингер во время рейса попробовала свои силы в разрушении льда. «Вы нажимаете на газ или подруливающие устройства», - объясняет она. «Это поднимет переднюю часть ледника из воды достаточно, чтобы упасть на лед и сломать его». БАРАН! После нескольких дней бега по морскому льду с леденящей кровь решимостью Ледник прорвался.
«[Мы] ворвались… в прекрасное спокойное, свободное ото льда море, глаз в ледяном урагане», - позже писал гляциолог Терри Хьюз о моменте, о котором он мечтал с тех пор, как в по крайней мере, в 1970-х годах, когда он впервые начал беспокоиться об обрушении ледников.
The Glacier стал первым кораблем, вошедшим в залив Пайн-Айленд.
Межправительственная группа экспертов по изменению климата прогнозирует, что к 2100 году уровень моря поднимется почти на полметра. Эта вода вытеснит несколько миллионов человек с берегов по всему миру. Большая часть воды будет поступать из района залива Пайн-Айленд. В частности, он возникнет из того, что было названо «Ледником судного дня»: Туэйтс, один из крупнейших ледников нашей планеты, который примерно такой же обширный, как Великобритания.
Ледники образуются, когда снег спрессовывается в лед в течение сотен лет. Под тяжестью свежевыпавшего снега и льда лед под ним начинает течь, как река. Ледник Туэйтс является выходным, то есть он течет до самого океана. Там его береговая кромка простирается на 120 километров ослепительно белой ледяной стеной, возвышающейся на 40 метров над поверхностью океана и достигающей глубины более 200 метров.
Туэйтс и его соседний ледник Пайн-Айленд истощают около одной трети западно-антарктического ледяного щита - ледяного щита, простирающегося на запад от естественной разделительной линии Трансантарктических гор. Два ледника распадаются на айсберги гораздо быстрее, чем может образоваться новый лед. Они уже способствуют пятипроцентному ежегодному повышению уровня моря, или примерно 0,18 миллиметра в год: это эквивалентно ежегодному сбросу в океан более 20 миллионов плавательных бассейнов олимпийского размера. И если Туэйтс рухнет, его форма и расположение означают, что остальная часть западно-антарктического ледяного щита может исчезнуть вместе с ним. В общем, воды достаточно, чтобы поднять уровень моря более чем на три метра, изменить береговую линию и изменить известную нам планету.
Такие исследователи, как Хьюз, уже почти 50 лет выражают обеспокоенность по поводу ледников, впадающих в залив Пайн-Айленд и окружающий залив моря Амундсена. Тем не менее, скоординированные международные исследования региона начались только в 2018 году, когда была создана Международная ассоциация ледников Туэйтса. Сегодня потенциальное крушение ледника Туэйтса является одной из самых серьезных экологических угроз для глобальной цивилизации, и мы едва начали это понимать. Что так долго?
Как оказалось, залив Пайн-Айленд - одно из самых труднодоступных мест в мире. История о том, откуда мы знаем то, что мы знаем о Туэйтсе, - это также история о проблемах - и триумфах - науки на дне мира.
Пайн-Айленд-Бей - небольшой выступ на побережье Западной Антарктиды. Он впадает в бурное и забитое льдом море Амундсена - единственный сектор Антарктиды, на который не удосужилась заявить права ни одна нация. Это далеко даже для Антарктиды: ближайшая постоянно занятая научная станция находится в 1500 километрах от нас.
Первым кораблем, достигшим моря Амундсена, командовал капитан Джеймс Кук. В январе 1773 года он и его команда на HMS Resolution стали первыми людьми, пересекшими Южный полярный круг, невидимую линию широты на 66° южной широты. Британское правительство отправило Кука на юг, чтобы определить, существует ли земля под Австралией, регион, давно вызывающий интерес у членов ведущего научного учреждения Англии, Королевского общества. Год спустя «Резолюшн» снова пересек Южный полярный круг, но был остановлен тем, что Кук описал как «необъятное ледяное поле… настолько тесное, что ничто не могло войти в него». Корабль находился на 71°10′ южной широты, 106°54′ западной долготы. Согласно легенде, молодой мичман Джордж Ванкувер взобрался на бушприт и помахал шляпой над ледяной водой, объявив себя самым южным человеком в истории. Координаты корабля стали известны как ne plus ultra на латыни, что означает «больше ничего».
Когда Кук повернул назад, Резолюшн находился менее чем в 300 километрах к северу от ледника Туэйтс. По нынешним меркам это небольшое расстояние, но когда в 1971 году вышло современное издание журналов Кука, его ne plus ultra в этом регионе не сломлено. За 200 лет никто не заплывал дальше на юг в море Амундсена, чем Кук.
Пайн-Айленд Бэй впервые увидели не с моря, а с воздуха. В 1940-х годах ВМС США организовали операцию «Высокий прыжок», в рамках которой авианосцы отправлялись на карту различных участков антарктического побережья. USS Pine Island, названный в честь пролива Пайн-Айленд во Флориде, был отправлен в море Амундсена. Но Пайн-Айленд никогда не входил в залив Пайн-Айленд. Вместо этого его самолет вернулся с первым видом на залив с высоты птичьего полета.
Не имея особых стимулов выдерживать суровые условия моря Амундсена, ВМС США и Береговая охрана сосредоточили свои усилия на других антарктических регионах в последующие десятилетия. К 1980 году залив Пайн-Айленд оставался крупнейшей не нанесенной на карту прибрежной территорией за Южным полярным кругом.
Примерно в то же время Хьюз начал задавать вопросы об этом регионе. Гляциолог, называвший себя «ученым-ковбоем», был откровенен и имел склонность к драматическим заявлениям, которые могли отвлечь от науки. Но его также уважали как увлеченного теоретика, чьи работы изобиловали математическими уравнениями, предсказывающими поведение ледникового льда в различных условиях.
Еще в 1970-х годах Хьюза интересовали две проблемы, которые в то время широко не изучались: потепление планеты и возможное разрушение западно-антарктического ледяного щита. Он стал участником крупного проекта по реконструкции роста и разрушения ледяных щитов во время последнего ледникового периода. Этот проект привлек его внимание к заливу Пайн-Айленд как к прибрежной зоне, где внешняя кромка ледников могла откалываться или распадаться на айсберги с особенной скоростью. Хьюз заметил, что спутниковые снимки показывают удивительно короткий ледниковый шельф. Почему ледниковый лед не распространился по всему заливу? Выходные ледники обычно впадают в шельфовый ледник, плавающий ледяной массив, простирающийся над водой. В некоторых случаях этот плавучий шельф может подпирать и защищать «сидящий на мели» внутренний лед, лежащий непосредственно на коренных породах. Ледник такого же размера в Восточной Антарктиде, ледник Давида, течет над океаном на протяжении 100 километров. Плавучий лед ледника Пайн-Айленд, напротив, вдвое меньше.
В то время ученые знали, что планета медленно нагревается, но многие считали Антарктиду безопасной: проще говоря, было слишком холодно, чтобы потерпеть неудачу. Хьюз не был так уверен. Он обеспокоен тем, что отсутствие большого плавучего шельфового ледника в заливе Пайн-Айленд свидетельствует о нестабильности близлежащих ледников, которые проникают глубоко в сердце западно-антарктического ледяного щита. В 1981 году он назвал Пайн-Айленд и ледники Туэйтса «слабой изнанкой» Западной Антарктиды: ледники, ослабление которых может спровоцировать катастрофический обвал западно-антарктического ледяного щита. И он имел в виду катастрофические. Большая часть Западной Антарктиды может стать открытой водой в течение 500 лет; океаны могут подняться более чем на метр за одну человеческую жизнь. С напыщенностью, вызвавшей недоумение у его коллег, Хьюз назвал одну из своих научных статей «Потоп II и континент гибели: повышение уровня моря и таяние антарктических льдов».
Когда Хьюз проплыл мимо ne plus ultra Кука и вошел в залив Пайн-Айленд в 1985 году, он был гостем на борту без официального финансирования. И все же он надеялся узнать больше о леднике Пайн-Айленд, особенно о том, не слишком ли быстро он течет, чтобы быть стабильным. Однако ледовая и ветровая обстановка в бухте была настолько плохой, что он не смог собрать полезные данные.
Для Национального научного фонда (NSF), который финансировал исследовательский круиз, одно только любопытство не могло оправдать топливо, необходимое для того, чтобы таранить лед днем и ночью за счет налогоплательщика. Если бы в заливе Пайн-Айленд тлел гляциологический огонь, как утверждал Хьюз, NSF нужно было увидеть совпадение. Хьюз его не нашел.
На самом деле ранние спутниковые данные ставят под сомнение теории Хьюза. В 1972 году, только что завершив космическую гонку, НАСА и Геологическая служба США запустили первый спутник для исследования ресурсов Земли (ныне переименованный в Landsat). «Дистанционное зондирование произвело революцию в гляциологии, - говорит гляциолог Карен Элли. «Не так давно ни у кого не было даже фотографии всего континента», - добавляет она, имея в виду Антарктиду. «И теперь у нас есть толщина льда и скорость течения по всему континенту.”
На протяжении 1980-х и начала 90-х годов исследования, основанные на спутниковых снимках Landsat, показали, что ледник Пайн-Айленд был не только стабильным, но и фактически накапливал лед: по одной оценке, 50 гигатонн льда в год. Он толстел, чтобы соответствовать своему прозвищу СВИНЬЯ. Ледник Туэйтса - второстепенная мысль в этих исследованиях - по-видимому, тоже рос.
Кажется, залив Пайн-Айленд не должен вызывать беспокойства. Хьюз не был убежден. Отсутствие в бухте плавучих шельфовых ледников все еще вызывало у него подозрения. Однако без данных, подтверждающих его теории, он мало что мог сделать.
Почему исследования с использованием Landsat ошибались? «Оно многого не делает, - объясняет Элли. Landsat специализируется на сборе данных на поверхности; оказалось, что важная информация, в которой нуждался Хьюз, была спрятана подо льдом, куда Landsat не мог добраться. Но другой тип спутниковой технологии был готов перевернуть гляциологию с ног на голову.
В 1991 году Европейское космическое агентство запустило первый европейский спутник дистанционного зондирования. На нем были инструменты для новой техники, называемой радиолокационной интерферометрией. Эрик Риньо, гляциолог из Калифорнийского университета, увидел потенциал этой техники, особенно после того, как несколько лет спустя ее использовали на космическом челноке НАСА.
Используя радиолокационную интерферометрию, Риньо смог точно определить факты о ледниках, которые когда-то были невидимы. Он мог видеть деформации льда с точностью до миллиметра. Он мог читать движение льда не из года в год, даже не из месяца в месяц, а по часам. Самое главное, он мог найти линию заземления.
Когда дело доходит до обрушения ледника, действие происходит у линии заземления, где ледник отрывается от скалы и начинает плавать над океаном. Это также место, где океанская вода грызет основание этого ледника, отделяя его от скалы. Большая часть льда Западной Антарктиды находится значительно ниже уровня моря, , в чашеобразном морском бассейне. Более теплая океанская вода может стекать вниз в эту чашу, растапливая лед у линии заземления и заставляя его двигаться вглубь суши. Когда плавучий лед тает, он не меняет уровень моря: он уже вытесняет океанскую воду, как кубики льда в стакане воды. Но когда линия заземления отступает, когда-то лежавший на земле лед тает. Это повышает уровень моря, а также дестабилизирует ледник: лед истончается снизу и легче раскалывается. В наклонном морском бассейне под Туэйтсом стена подводного льда простирается на глубину более 1000 метров, что дает воде огромную площадь поверхности для работы. Вода может быстро протолкнуть линию заземления вглубь суши, замедляясь только в том случае, если она сталкивается с приподнятой коренной породой, скажем, с подводным хребтом или горой, которая «прикалывает» лед. У ледника Туэйтс есть одна такая точка привязки, примерно в 40 километрах от нынешней линии заземления. Эта точка закрепления поддерживает давление на внутреннюю часть ледника, как контрфорс, прижимающийся к стене собора. Если шельфовый ледник оторвется от этой точки закрепления, ледник может излиться еще быстрее.
Исследователи не могут сказать, как быстро отступает линия заземления, если они не знают, где она находится. Обладая этой жизненно важной информацией, Риньо добился скорости плавки на несколько порядков выше, чем когда-либо прежде. Он подсчитал, что крупный ледник в Гренландии тает со скоростью до 20 метров в год. (Предыдущие данные предполагали, что даже самые уязвимые ледники ежегодно тают примерно на 10-20 сантиметров.) Риньо знал, что эти цифры покажутся дикими для многих его коллег. «Вау! Может быть, мои данные неверны, - подумал он, - но накапливаются доказательства того, что эти скорости плавления намного выше. Он получил сопротивление на протяжении 1990-х годов. Многим было трудно поверить, что ледники могут исчезнуть так быстро. Что могло так быстро разрушить ледник?
Ответ возник из неожиданного источника. Океанограф из Колумбийского университета в Нью-Йорке Стэнли Джейкобс предположил, что в этом может быть замешан океан. Он знал о работе Хьюза и в 1991 году опубликовал статью, в которой призывал к «проникновению ледокола и детальному океанографическому отбору проб» «почти неизвестного» моря Амундсена. Он хотел вернуться на корабле в залив Пайн-Айленд.
Важность океана может показаться очевидной сейчас, но в то время исследователи были больше сосредоточены на скорости течения, чем на том, что произошло, когда ледник достиг океана. В гляциологии, говорит Риньо, мало кто думал, что океан может иметь какое-то значение: «Его не было на горизонте».
Океан общеизвестно труден для изучения. Это дорого и опасно даже в самых лучших условиях. Улучшенные спутниковые данные Риньо были настолько хороши, что он в основном работал из своего офиса в Калифорнии. Однако, когда речь шла об океане, спутников было недостаточно. Спутники могут показывать температуру только на поверхности, где таяние льда и отрицательные ветры делают полярную воду очень холодной; они не могут добраться до более глубокой теплой воды.
«Чтобы получить данные в океане, вам нужно отправиться туда», - говорит Риньо. В 1994 году Джейкобс так и сделал.
Никто не прорывался сквозь лед вокруг залива Пайн-Айленд со времени плавания ледника десять лет назад. «Мы шли в практически неизведанные воды, - вспоминает океанограф Адриан Дженкинс, присоединившийся к Джейкобсу на борту. «Никто не знал, где находится край континентального шельфа - он был неправильно нанесен на карту».
Их круиз начался в более доступных водах моря Росса, к югу от Новой Зеландии. Там команда обнаружила чрезвычайно холодную океанскую воду - около -2,2 °C, что намного ниже точки замерзания пресной воды. Однако по мере того, как они шли вдоль побережья к заливу Пайн-Айленд, что-то изменилось. Они вошли в залив Сульцбергера, за углом от моря Росса, и нашли воду с температурой 0 °C.
Вода стала еще теплее, когда они приблизились к цели. «Нам удалось завести корабль в бухту Пайн-Айленд, а это, очевидно, было то место, которое я больше всего хотел получить», - вспоминает Дженкинс. «И наблюдения изменили наше представление об этом регионе». Вздрогнув от высоких температур, он самостоятельно изучил бортовое научное программное обеспечение MATLAB и закодировал некоторые приблизительные оценки. «Я нашел эти очень высокие скорости плавления, около 100 метров в год - я подумал, что это слишком много, слишком много», - вспоминает Дженкинс. «Я подумал, что должно быть что-то не так; Я провел следующие 10 лет, пытаясь понять, что именно. Оказывается, это не такая уж завышенная оценка, как я думал».
Первоначально у команды были проблемы с публикацией результатов. Статья, которую они отправили в крупную публикацию, была отклонена без внешнего рассмотрения, поскольку не имела достаточной важности.
Риньо стал ключевым союзником. Его работа была сосредоточена на Гренландии, но он знал о кажущейся нишевой одержимости Хьюза заливом Пайн-Айленд. Он был заинтригован высокой скоростью плавления Дженкинса, которая соответствовала цифрам, которые Риньо нашел в Гренландии. Теплая вода, которую Джейкобс и Дженкинс обнаружили в заливе Пайн-Айленд, объединила всю картину воедино.
«Я слышал эту теорию о нестабильности Западной Антарктиды», - вспоминает Риньо. Он начал просматривать данные радиолокационной интерферометрии на линии заземления ледника Пайн-Айленд и «Бум! Он мигал у меня на экране. Здесь происходило что-то большое». Ему потребовалось почти два года, чтобы опубликовать свои расчеты: «Я хотел быть чертовски уверенным, что то, что я видел, было правдой», - говорит он. «Потому что, если бы это было реально, это было бы очень важно».
На конференции в 1997 году Риньо представил результаты, указывающие на то, что линия заземления ледника Пайн-Айленд отступает примерно на 1,2 км в год.
«Именно здесь работа Эрика зажгла мир», - отмечает Дженкинс. Дженкинс, Джейкобс и их коллеги показали, что ледники тают быстрее, чем считалось ранее, из-за теплого океана. Но плавление все еще может быть относительно стабильным процессом и не всегда представляет собой проблему. Опасность возникает, когда линия заземления отступает, открывая все больший доступ теплой океанской воде внутрь ледяного щита. В этих случаях ледник может таять не медленно, как кубик льда, а рушиться, как собор.
Сегодня расчет Риньо верен: исследователи считают, что линия заземления ледника Пайн-Айленд отступала примерно на один километр в год в течение двух десятилетий до 2011 года (похоже, что в последнее время она замедлилась). Туэйтс продолжает отступать примерно с той же скоростью на один километр в год и ежегодно теряет около 37 гигатонн льда. (Этого достаточно, чтобы ежегодно погружать прилегающие Соединенные Штаты на пять миллиметров в лед.) Когда Хьюз начал исследовать залив Пайн-Айленд в 1980-х годах, он, возможно, не понимал механизмов, но он был прав, беспокоясь.
Изменение направления антарктических исследований похоже на вождение ледокола. Это медленно и дорого. После круиза 1994 года NSF потребовалось шесть лет, чтобы отправить корабль обратно в залив Пайн-Айленд, а лед с первой попытки (в 2000 году) был настолько толстым, что Джейкобс не смог приблизиться к леднику Пайн-Айленд. Тем временем он и Дженкинс продолжали публиковаться с Rignot, чтобы укрепить свои доводы в пользу того, что теплая вода быстро смещает линию заземления.
Наконец, в 2009 году их корабль прорвался. Прошло 15 лет с тех пор, как кто-либо плавал в этих водах. Однако теперь у них появилась новая передовая технология: Autosub3, полностью автоматизированный подводный беспилотник. Autosub3 подтвердил первоначальные подозрения Джейкобса о том, что виновником был океан: глубокая полоса теплой воды, называемая Циркумполярной глубокой водой, проникала под ледниковый шельф. Он уже съел огромную полость под ледником Пайн-Айленд.
Следующее поколение полярных исследователей отреагировало на эти события на дне мира. Дэвид Холланд, канадский математик, заинтересованный в моделировании взаимодействия океана, воды и воздуха, в 2007 году был на втором самолете, совершившем посадку на вершину ледника Пайн-Айленд. метеостанция, чтобы узнать, что за атмосфера. Он и два помощника ночевали на леднике Пайн-Айленд пять лет подряд, пока не переключили свое внимание на Туэйтс.
Они все еще выясняли, на чем сосредоточить свои исследования, объясняет он. Основываясь на предыдущей работе, команда Холланда начала с Пайн-Айленда. Но, по его словам, «пока мы были там, мы подумали: а не быть ли нам по соседству в Туэйтс?»
Штормы вокруг Туэйтса и его огромные размеры делают его особенно трудным для изучения. В 2004 году совместный проект Соединенных Штатов и Соединенного Королевства включал в себя первую систематическую аэрофотосъемку топографии под Туэйтсом, выявив закономерности потока льда во внутреннюю часть ледника и его связь с окружающим ледяным щитом. Масштабы его возможного воздействия становились ясными.
Туэйтс больше ледника Пайн-Айленд - намного, намного больше. Он имеет широкий фронт - более 120 километров - и его основание круто обрывается почти на 1000 метров ниже уровня моря. Эти размеры дают теплой океанской воде много льда для работы. Кроме того, водосборный бассейн Туэйтса, то есть лед, впадающий в ледник, имеет длину около 700 километров, то есть расстояние от Бостона, штат Массачусетс, до Вашингтона, округ Колумбия. Короче говоря, это идеальный кандидат на массовый коллапс. Сегодня Туэйтс способствует большему повышению уровня моря, чем ледник Пайн-Айленд, в четыре раза больше.
На протяжении десятилетий, однако, основное внимание уделялось леднику Пайн-Айленд. Два ледника являются соседями, но в антарктических масштабах более 50 километров толстого морского льда между наиболее доступными ледяными фронтами. На самом деле, поскольку предыдущие круизы были так сосредоточены на достижении ледника Пайн-Айленд, возможно, никто не видел Туэйтса с борта корабля до 2019 года. И, как Холланд обнаружил, отправившись туда в январе 2022 года, из-за распада ледника добраться до него стало еще труднее.
Заголовки в декабре 2021 года объявили, что шельфовый ледник Туэйтса может «разлететься, как лобовое стекло автомобиля» в течение пяти лет. Трудно сказать наверняка. Мы знаем, что плавучий шельфовый ледник действует как контрфорс, сохраняя стабильность внутреннего льда Туэйтса. Мы также знаем, что шельфовый ледник раскалывается на айсберги с беспрецедентной скоростью. Если океан отодвинет линию заземления слишком далеко, это может привести к неудержимому таянию.
Туэйтс - это пробка в бутылке Западной Антарктиды. Его огромные размеры и центральное положение означают, что его обрушение может вызвать реакцию на всем западно-антарктическом ледяном щите. Возможно, это произошло около 125 000 лет назад, когда уровень моря был примерно на шесть-девять метров выше, чем сегодня. Западная Антарктида не развалится за одну ночь. Это может занять несколько сотен лет. Но если это действительно произойдет, чего опасаются многие исследователи, это изменит глобальные береговые линии.
Голландия смотрит на планету с точки зрения простого принципа: «играй с атмосферой, ожидай перемен».
Необычно теплые океанские течения растопили лед. Эти течения обусловлены сменой ветров: более сильные ветры вытесняют холодные поверхностные воды, позволяя более теплым глубинным водам подниматься вверх и переливаться через континентальный шельф в морской бассейн под ледниками. Ветры, в свою очередь, реагируют на одно: на изменение температуры воздуха. И эти изменения вызваны выбросами парниковых газов.
Короче говоря, Холланд говорит: «Ветры изменят океан, океан растает Антарктиду - и вода придет к вам в гости». Имеются данные о том, что атмосферные изменения могут поднять уровень моря на несколько метров в течение столетия. Но системы настолько сложны, что их трудно предсказать. У нас в телефоне есть приложения, которые сообщают нам завтрашнюю погоду, отмечает Холланд, но мы далеки от таких приложений для океана или ледяных щитов. Фактически, Межправительственная группа экспертов по изменению климата утверждает, что предсказание «динамического вклада» ледяных щитов «остается ключевой неопределенностью» в прогнозах повышения уровня моря.
Наука - это подверженный ошибкам коллективный человеческий процесс; он движется путем медленной самокоррекции, прокладывая себе путь сквозь неопределенности, как корабль среди айсбергов. В заливе Пайн-Айленд, где сами карты океана все еще обновляются, точность имеет жизненно важное значение. Но точность требует времени, а время Туэйтса, кажется, истощается с каждым новым исследованием.