Гляциологи создали наиболее детальную на сегодняшний день цифровую модель рельефа земной коры Антарктического континента подо льдом. Это позволяет выделить участки ледяного покрова, более подверженные разрушению из-за таяния льдов и более точно оценить влияние потепления климата на подъём Мирового океана. Также под одним из ледников удалось найти самый глубокий каньон на суше глубиной 3,5 км.
Статья крупного исследовательского коллектива из нескольких десятков авторов, представляющая DEM-модель BedMachine, вышла в конце 2019 года в Nature Geoscience. Ведущая научная организация, на базе которой проводилась работа — Калифорнийский университет в Ирвайне (University of California, Irvine, UCI).
Антарктический щит в последние десятилетия теряет массу из-за ускоренного таяния и отступания ледников. Характер движения ледников во многом определяется рельефом подстилающей поверхности материка. Определённые конфигурации хребтов могут этот процесс задерживать, укрепляя ледник, а в некоторых случаях, наоборот, способствуют его неустойчивости. Кроме того, отступающий ледник сам формирует свою морфоскульптуру — гляциальный рельеф. Взаимодействие массивного покровного ледника и подстилающей земной коры — сложная динамическая система с взаимовлиянием обоих её компонентов.
Характерный пример деятельности отступающего почти на наших глазах последнего покровного оледенения — форма большого количества озёр и структур рельефа в Карелии, «процарапанных» ледником в северо-западном направлении (в геоморфологии они называются экзарационным рельефом). С другой стороны, масса льда вызывает существенное прогибание земной коры, которое сменяется изостатическим подъёмом после схода ледника: поверхность Скандинавии и Карелии до сих пор поднимается со скоростью порядка десяти сантиметров в год.
Карельские озёра — след отступившего примерно 10 тысяч лет назад ледника (спутниковый снимок).
Интегральные цифровые модели рельефа Антарктиды создавались и ранее. Так, самая современная и полная из них под названием BedMap2 появилась в 2013 году. Она комбинирует данные из множества источников, представляя модель высотных отметок земной коры, толщины ледяного покрова и батиметрии континента. Основной инструмент, позволяющий определить рельеф поверхности подо льдом — радиоэхозондирование с борта самолёта. При этом уверенно определяются только участки вдоль профилей зондирования, и при условии умеренной толщины ледяного покрова. Радарные профили создавались самыми разными исследовательскими организациями разных стран с 1967 года, и их суммарная длина составляет порядка миллиона километров. Цифровые карты рельефа с данными в пространстве между профилями являются результатом интерполяции. Такая методика, как правило, не замечает мелкие формы рельефа — ущелья, троги или скальные выступы. Однако эти хорошо знакомые горным туристам структуры существенны для распространения ледников, в конечном итоге задерживая или ускоряя их движение. Поэтому усовершенствование существующих цифровых моделей рельефа, или DEM (Digital Elevation Model) в Антарктике с привлечением новых методов получения информации — задача, заслуживающая внимания.
Результатом работы коллектива примерно из 40 специалистов по гляциологии является усовершенствованная модель рельефа BedMachine Antarctica. Она является научной разработкой при Национальном центре данных по исследованию снега и льда (NSIDC, National Snow and Ice Data Center) — организации, ответственной за координирование информации и исследований полярных областей и криосферы и являющейся структурным подразделением Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder, UCB).
Для создания усовершенствованной модели рельефа были использованы подходы физического моделирования ледовых потоков исходя из принципа сохранения массы. Фактически это уравнения массового баланса льда, записанные для каждого из интерполируемых участков и согласованные по граничным условиям между этими участками. Этот подход позволяет в определённой степени увязать между собой разрозненные данные измерений, полученные от множества источников в разные годы и имеющие разную достоверность и густоту покрытия.
Физические принципы несколько различаются для моделирования «быстрого» льда (со скоростями движения порядка 50 м/год) — как правило, на побережье — и «медленного» льда в глубине континента. Так, на побережье физика моделирования скорее отвечает уравнениям для гидродинамических потоков, а в глубине — законам диффузии. Также для определения толщин ледяного покрова и батиметрии в акватории используются принципы гидростатики с учётом плотностей льда и солёной воды. Для интересующихся и специалистов к статье в Nature Geoscience объёмом 7 страниц предлагается приложение в виде 76 страниц дополнительных материалов с описанием принципов построения модели. Также в свободном доступе предлагаются открытые (Open Source) программные коды ISSM — Ice Sheet System Model от CalTech и NASA Jet Propulsion Lab, используемые для моделирования ледяного покрова.
Покрытие радарной съёмки Антарктиды для определения толщины льда от разных источников (слева); «зоны риска» ледников из-за неустойчивости на рельефе (справа). Из: Morlighem et al., Nat. Geosci. 13, 132(2020) (Suppl.Mat.).
Один из основных результатов работы — уточнение участков неустойчивости ледяного покрова из-за особенностей подстилающего рельефа. Такие участки, находящиеся в самых разных местах континента, в большей степени находятся в «зоне риска», например, в процессе таяния ледника из-за повышения температуры, и для моделирования результирующего повышения уровня мирового океана необходимо учитывать разную скорость разрушения ледников в соответствии и с этими данными. Само собой, этими участками интересовались и при составлении всего корпуса предшествующих моделей. Напротив, Трансантарктический хребет, разделяющий Западную и Восточную Антарктику, является определённой стабилизирующей структурой, удерживающей ледяной покров. Интересным результатом является также установление своеобразного рекорда: так, известный ледник Денмена в Восточной Антарктиде (Земля Королевы Мэри; там же неподалёку находится российская внутриконтинентальная станция «Восток») оказался расположенным над каньоном глубиной 3500 метров под уровнем моря. Предыдущие модели рельефа, основанные на интерполяции между точками или профилями, размеры подобных образований, как правило, недооценивают. Таким образом, это — самая глубоко лежащая из наземных структур (рекорд глубины 2800 метров раньше принадлежал другой точке в Антарктике — леднику Бэрда на Земле Виктории).
Считается, что при таянии всего ледяного покрова Антарктики уровень Мирового океана поднялся бы на 60 метров. Вряд ли это случится в обозримом геологическом будущем (десятки миллионов лет), однако ощутимые последствия для инфраструктуры может иметь и частичное разрушение ледников Антарктики и Гренландии. Современный уровень моделирования позволяет учитывать устойчивость разных участков ледяного щита к климатическим изменениям, в том числе с точки зрения его «удерживания» подстилающим рельефом. В конечном итоге это позволит уточнить, насколько неприятными могут стать для нас последствия потепления.
Источник: