Головоломка для исследователей Антарктики
Пока необъяснимые события происходят на полюсах нашей планеты. К примеру, в Арктике более половины летнего морского льда исчезло с конца 1970-х годов. Модели глобального климата предсказывают устойчивость этой тенденции в связи с повышением средней мировой температуры. Между тем, в водах Антарктики объём морского льда оставался стабильным и даже увеличивался, достигая рекордных показателей за последние десятилетия в 2012, 2013 и 2014 годах.
Для учёных стали полной неожиданностью данные от 1-ого марта 2017 года, когда ледяной покров Антарктики сократился до исторического минимума. Его протяженность была наименьшей, наблюдаемой с момента начала спутникового мониторинга в 1978 году и составляла около 2 миллионов квадратных километров, что на 27% ниже среднего годового минимума.
Исследователи рассматривают ряд основных вопросов, чтобы понять такие резкие изменения. Почему отмеченные региональные и сезонные модели изменения морского льда в Антарктиде отличаются от более равномерного снижения, наблюдаемого в большей части Арктики? Почему Антарктике удавалось сохранять свой морской лёд до сих пор? Является ли сокращение ледяного покрова в Антарктике 2017 года кратковременной аномалией или началом более долгосрочного процесса? Отсутствуют ли в существующих моделях важные взаимодействия и обратные связи между атмосферой, океаном и морским льдом, и в какой степени деяния человека вовлечены в этот процесс.
То, что происходит в Антарктике, влияет на всю планету. Южный океан играет ключевую роль в глобальной циркуляции, ведь замёрзшая морская поверхность изменяет обмен тепла и газов, в том числе двуокись углерода, между океаном и атмосферой. Морской лёд отражает солнечный свет и влияет на погодные условия, образование облаков и осадков. Это, в свою очередь, влияет на массу антарктического ледникового покрова и его вклад в повышение уровня моря. Морской лёд также имеет решающее значение для морских экосистем. Широкий спектр организмов, включая криль, пингвинов, тюленей и китов, зависит от его сезонного наступления и отступления.
Поэтому крайне важно, чтобы исследователи начали понимать зависимости морских льдов Антарктики, особенно в тех местах, где их площадь и толщина меняется, от внешних факторов.
Сейчас требуется целенаправленная и скоординированная международная деятельность по научным дисциплинам, которые наблюдают и моделируют глобальный климат, включая полярные регионы.
Регулярные наблюдения показывают, как ледяной покров меняется в течение дней, лет и десятилетий. Погода, особенно бури с сильным ветром, оказывает ежедневное и сезонное влияние. Долгосрочные изменения обусловлены более широкими структурами температуры и циркуляции атмосферы и океанов.
Спутники обеспечивают наилучшую пространственную информацию о морских льдах вокруг Антарктики. Но, практически непрерывные, спутниковые наблюдения ведутся лишь на протяжении последних четырех десятилетий. А для привязки изменений объёмов морского льда к тенденциям в климате, необходима более обширная база данных. Сюда можно отнести информацию из журналов судов, прибрежных станций, записей о китах, ранних спутниковых снимках и химическом анализе «ледниковых срезов».
Проведённый химический анализ «цилиндрического ледяного среза» выбуренного в Антарктике натолкнул учёных на предположение о том, что площадь морского льда в 1940-1960-х годах была на 25% больше, чем сегодня.
Сбор большего количества «ледяных срезов» и исторических записей помогут синтезировать содержащуюся в них информацию с определением территориальных тенденций. Это поможет определить, какие климатические факторы влияют на изменения морского льда Антарктики.
Например, по данным исследований в 2017 году территория с наименьшим количеством морского льда была к югу от восточной части Тихого океана. Этот регион имеет прочные связи с климатом тропиков, включая течение «Эль-Ни́ньо», из чего можно предположить, что морской лёд чувствителен даже к удалённым от полюсов условиям.
Стоит также научиться понимать как баланс динамики и термодинамики влияет на изменение площади занимаемой морскими льдами и его объём. Толщина и объём льда зависят от многих факторов, включая поток тепла от океана к атмосфере и льду. Мы понимаем принцип того, ка морской лёд влияет на концентрацию соли в мировом океане. Когда океан замерзает, соль поступает в воду, тем самым увеличивая её концентрацию. Когда лёд тает, пресная вода возвращается в море. Но такие процессы трудно измерить, и их сложно моделировать.
Спутниковые альтиметры могут точно измерять расстояние между поверхностями морского льда и океана, и это расстояние можно использовать для расчета толщины льда. Но трудно интерпретировать эти данные, не зная, сколько снега на льду, его плотность, а вес снега опускает поверхность льда ниже уровня моря. Калибровка и проверка спутниковых данных имеют решающее значение, так как разрабатываются алгоритмы для объединения и анализа информации из различных источников.
Три составляющие: лёд, вода и воздух должны анализироваться через определенные промежутки времени на достаточно широкой территории, чтобы определить, как они взаимодействуют.
Современные модели климата борются за симуляцию сезонной и региональной изменчивости, наблюдаемой в антарктическом морском льду. Большинство моделей имеют предвзятости, даже в таких основных особенностях, как размер и пространственные закономерности годового цикла развития и отступления Антарктического морского льда или количество тепла, поступающего в лёд от океана. Модели не могут имитировать даже валовые изменения, например, вызванные тропическими влияниями на региональные ветры. Поскольку лёд и климат тесно связаны, даже небольшие вмешательства быстро распространяются по всей поверхности.
К особенностям, которые необходимо более точно смоделировать, относятся пояс сильных западных ветров в Антарктиде и море Амундсена - бурная зона к юго-западу от Антарктического полуострова.
Существующие модели анализа сейчас не согласованы, например, в том, способны ли постоянные западные ветры увеличивать или уменьшать охват морского льда вокруг Антарктиды. Моделирование облаков и осадков также неадекватно. В настоящее время они не могут определить точное количество выпавшего снега или температуры поверхности моря в Южном океане. Исследователям необходимо разработать модели среды атмосфера-океан-море-лёд с высоким пространственным разрешением.
Лучшие представления о Южном океане и его морских льдах должны теперь стать приоритетом для центров моделирования. Такие модели будут иметь решающее значение для следующей оценки Межправительственной группы экспертов по изменению климата, которая должна состояться в 2020 - 21 году.
Хорошим примером необходимых совместных проектов является «Great Antarctic Climate Hack»,который объединяет различные сообщества интересующихся антарктическим климатом и оценки эффективности моделей.