Antarktyda to specyficzny kontynent. Jego topografia wyraźnie różni się od topografii Grenlandii. Jest połozona w niecce wraz z wieloma lodowcami szelfowymi. Znacznie mniejsza część zachodnia jest zanurzona częściowo w oceanie, natomiast część wschodnia jest znacznie większa, górzysta i bardziej wyniesiona ponad poziom morza. Wpływ ocieplającego się klimatu najsilniej oddziałuje na stabilność pokrywy lodowej Antarktydy.
—
Fot.1. Zdjęcie lotnicze półwyspu Browning Casey na Antarktydzie. Źródło: Will Salter Getty Images
—
David Pollard i Richard Alley z Instytutu Systemów Ziemi i Środowiska na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii oraz Robert DeConto z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst, na podstawie trójwymiarowego modelu pokrywy lodowej, stwierdzili, że lodowce szelfowe będące barierami dla wnętrza lodowego kontynentu, głównie topnieją przez wnikanie ciepłych wód głębinowych w ich podstawy. 1
Choć duże znaczenie ma też tak zwane szczelinowanie hydrauliczne, czyli wnikanie na powierzchni lądolodów wód roztopowych głęboko w ich szczeliny, które przyczynia się do ich osłabiania i pękania oraz rozpadu klifów lodowych prowadzącego do cielenia gór lodowych. Ono z kolei powoduje na powierzchni pokrywy lodowej Antarktydy przyspieszony spływ strumieni i rzek lodowych prosto do oceanu. Cielenie gór lodowych nie podnosi poziomu morza, ale spływ masy lodowej z kontynentu, już tak.
—
Rys.1. Schematyczny przekrój lodowca wchodzącego w stan krytycznego rozpadu klifów. Lód płynie od lewej do prawej strony, od lodu na lądzie do lodowca szelfowego w oceanie. M = powierzchniowy spływ cieczy do szczelin i kruszenie hydrauliczne. C = cielenie się lodowca. O = oceaniczne topnienie podstawy lodowca. F = przepływ deformacyjny lodu przez linię gruntowania. Czerwone strzałki pokazują możliwy ruch linii gruntowania: a) rozbudowany lodowiec szelfowy, niewielkie nachylenie zboczy w strefie gruntowania b) po silnym ociepleniu (duże M, C, O) szelf prawie znika, lecz nachylenie zboczy wciąż pozostaje niewielkie c) szelfu już nie ma, pojawia się pionowy klif o wysokości > około 100 m ponad powierzchnię morza, który rozpada się pod własnym ciężarem, co prowadzi do szybkiego cofania się linii gruntowania (David Pollard i inni, 2015).
—
Naukowcy najbardziej obawiają się nie tyle bezpośrednio szybkiej utraty masy lodu i jego topnienia, co zawalenia się ogromnych lodowców szelfowych Thwaites i Pine Island, których rozmiar jest taki jak obszar Wielkiej Brytanii.
Punktem krytycznym jest przekroczenie tzw. linii gruntowania, wówczas cofający się lód może utracić stabilność w niecce kontynentalnej i doprowadzić do zawalenia się szelfu lodowego.
Tyler C. Sutterley z Wydziału Nauki Systemu Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, wraz ze swym zespołem badawczym, zauważył w swoich badaniach, że sam rozpad Thwaites i Pine Island doprowadziłby do wzrostu poziomu oceanów o około 1,2 metra. Naukowcy obliczyli to na podstawie pomiarów z wysokościomierzy laserowych satelity ICESat i samolotów badawczych w misji Operation IceBridge, z wysokościomierzy radarowych satelity Envisat, pomiarów grawitacji zmiennej w czasie dokonanych przez satelitę GRACE oraz za pomocą symulacji regionalnego modelu klimatu atmosferycznego RACMO2.3.
Ponadto obliczono bilans masy powierzchni (SMB – Surface Mass Balance), prędkość lodu na podstawie radarów obrazujących oraz grubość lodu za pomocą sond radarowych.
Lodowce szelfowe, wspomniane Thwaites i Pine Island, stoją na grzbiecie pomiędzy szelfem kontynentalnym, a niecką kontynentalną, umieszczoną pod lądolodem kontynentalnej części Zachodniej Antarktydy. Silnie podmywane podstawy tych lodowców sprawiają, że cofa się linia gruntowania, która może w każdej chwili załamać się, gdy oba lodowce zapadną się w tejże niecce kontynentalnej.
Współautor powyższego badania Eric Rignot powiedział:
Nie stwierdziliśmy obecności na dnie oceanicznym żadnych przeszkód, które mogłyby zapobiec dalszemu cofaniu się lodowców i ich zniknięciu z całego obszaru.
—
Rys.2. a) wskaźniki bilansu masy powierzchni RACMO SMB (niebieski kolor) i zrzut lodu do oceanu (D – Discharge) b) utrata masy przez lodowce Morza Amundsena w miliardach ton rocznie, analizowane różnymi metodami. Kolor czarny – oszacowanie metodą budżetu masy (MBM – Mass Budget Method), kolor czerwony – pomiary grawimetryczne satelitów GRACE, kolor zielony – satelitarna altymetria radarowa wykonana przez satelity Envisat, kolor pomarańczowy – altymetria laserowa wykonana przez satelity kampanii pomiarowych ICESat/IceBridge c) utrata masy jak w punkcie B) w stosunku do wkładu ekwiwalentu poziomu morza (Tyler C. Sutterley i inni, 2014).
—
Sam rozpad tych dwóch gigantycznych lodowców szelfowych grozi spowodowaniem powstania ogromnych fal tsunami oraz przyspieszonego wzrostu poziomu morza, które zagrożą wielu niskim wybrzeżom kontynentalnym oraz wyspom, a także portom, uprawom rolnym, zabudowie miejskiej i wiejskiej, a także wielu ekosystemom morskim i nadmorskim oraz częściowo lądowym i nadmorskim, tak zwanym estuariom. Koszty zniszczeń infrastruktur miejskich i wiejskich oraz ekosystemów będą astronomiczne.
Cztery przedstawione metody są zgodne pod względem ubytku masy lodu i przyspieszenia jej ubytku w skali regionalnej w poszczególnych okresach badań:
- W latach 1992–2013 całkowity ubytek masy wyniósł 83 ± 5 Gt/rok ze średnim przyspieszeniem 6,1 ± 0,7 Gt/rok.
- W latach 2003–2009 całkowity ubytek masy wyniósł 84 ± 10 Gt/rok z przyspieszeniem 16,3 ± 5,6 Gt/rok (prawie 3-krotne większym przyspieszeniem niż w latach 1992–2013).
- W latach 2003–2011 ubytek masy wyniósł 102 ± 10 Gt/rok z przyspieszeniem 15,7 ± 4,0 Gt/rok.
Wyniki uzgadniają niezależne szacunki bilansu masy w otoczeniu zdominowanym przez zmianę dynamiki lodu ze znaczną zmiennością bilansu masy powierzchni.
Główny autor, Tyler Sutterley, doktorant UCI, powiedział w serwisie Science Daily 3:
Poprzednie badania sugerowały, że ten region zaczyna się bardzo dramatycznie zmieniać od lat 90. XX wieku i chcieliśmy zobaczyć, jak porównuje się wszystkie różne techniki. Niezwykła zgodność między technikami dała nam pewność, że robimy to dobrze.
Tak więc, gdy zawalą się na Antarktydzie Zachodniej kolosalne lodowce szelfowe, takie jak Thwaites wielkości Wielkiej Brytanii i Pine Island wielkości stanu Nevada w USA, to mogą wywołać one tak potężne fale tsunami oraz wzrost poziomu morza, że wiele nisko położonych wysp oraz wybrzeży lądowych może być po prostu narażonych na groźne podtopienia, a nawet na całkowite zalania. W niebezpieczeństwie jest wiele nadbrzeżnych wielkich portów wielkich miast takich jak Tokio, Nowy Jork, Jakarta, Aleksandria, Wenecja, Dhaka, Rio de Janeiro, Amsterdam, Szanghaj, Miami czy Londyn.
—
Rys.3. Kontynent Antarktyda skorygowany izostatycznie z usuniętym lodem (projekt artystyczny).
—
Obszar Zatokowy Morza Amundsena (ASE – Amundsen Sea Embayment) na całym kontynencie Antarktydy jest najbardziej narażony na największą utratę masy lodu netto.
W 2016 roku dowody naukowców wskazały, że wzmocnienie cyrkulacji ciepłej, słonej okołobiegunowej wody głębinowej (CDW – Circumpolar Deep Water) we wnękach pod szelfami lodowymi jest głównym czynnikiem wyzwalającym i przyczyniającym się do utraty lodu w regionie.
Ala Khazendar i Eric Rignot z Laboratorium Napędów Odrzutowych Kalifornijskiego Instytutu Technologii, stwierdzili, że lodowce szelfowe w Obszarze Zatokowym Morza Amundsena, takie jak: Smith, Kohler, Pope, Haynes, Crosson i Dotson, pomimo, że są mniejsze, to ich utrata masy i topnienie ma znaczący wpływ we wkład wzrostu poziomu morza 4.
Jednocześnie zwiększenie napływu ciepła oceanicznego i wzmożenie topnienia lodu na dnie we wnękach powoduje coraz większe rozrzedzenie szelfów lodowych, przyczyniając się do cofania się linii gruntowania i osłabienia kontaktu z leżącym poniżej podłożem skalnym, krawędziami bocznymi, stabilizującymi grzbietami i punktami zaczepienia, takimi jak wzniesienia lodowe. W konsekwencji podpory podtrzymujące szelfy lodowe, stają się coraz mniej stabilne, co prowadzi do dalszego rozrzedzenia lodowców oraz przyspieszania spływu lodu do oceanu, w szczególności gdy wzmożone topnienie koncentruje się w pobliżu linii gruntowania.
Wspomniane wcześniej lodowce Pine Island (PIG – Pine Island Glacier) i Thwaites (TG – Thwaites Glacier), są to dwa największe lodowce szelfowe w obszarze zatokowym Morza Amundsena (ASE) i przez to zasłużyły na wiele uwagi ze względu na ich możliwość gwałtownej destabilizacji prowadzącej już w niedalekiej przyszłości do wkładu w znaczny wzrost poziomu morza.
Naukowcy zaobserwowali również duże znaczenie w destabilizacji regionu pod kątem mniejszych lodowców szelfowych, takich jak Dotson i Crosson oraz ich głównych dopływów – lodowców: Smith (SG – Smith Glacier), Pope (PG – Pope Glacier), Kohler (KG – Kohler Glacier) i Haynes (HG – Haynes Glacier).
—
Rys.4. Badany obszar szelfów lodowych Dotson i Crosson oraz ich lodowców dopływowych. a) Powtórzony tor lotu z kampanii Operation IceBridge (OIB) z 2002 i 2009 roku. Skala kolorów pokazuje zmiany wysokości dna lodu w miejscach przecięcia się niepowtarzalnych torów OIB w latach 2009-2014. W każdym miejscu przecięcia wysokość dna z poprzedniego roku jest odejmowana od wysokości z poprzedniego roku, stąd wartości dodatnie wskazują na utratę lodu z dna. Stwierdzone różnice są następnie uśredniane w całym przedziale czasu, aby ułatwić porównania. Niepewność waha się od ∼ 35 m rocznie dla przedziału 1 roku do ∼7 m rocznie przez okres 5 lat b) Obszar badań zlokalizowany na mapie regionu ASE przez biały prostokąt przedstawiający analizowane tutaj tory lotu kampanii OIB z 2002 i 2009 r. Oraz kampanię AGASEA z 2004 r. wzdłuż pnia lodowca Smitha-Kohlera c) Wskaźniki obniżenia powierzchni w latach 2003–2009. Autorzy wykorzystali pomiary ICESat-1 z niezbędnymi poprawkami, z ATM i innymi produktami danych zastosowanymi jako dodatkowe ograniczenia dla kształtu powierzchni i szeregów czasowych wysokości (Ala Khazendar i inni, 2016).
—
Naukowcy napisali na wstępie swojej pracy:
Ze wszystkich lodowców szelfowych, Smith (SG) przeszedł najdalsze cofnięcie się linii gruntowania w rejonie 35 km w latach 1996-2011, Crosson wykazał największy średni ubytek grubości w latach 1994-2012, a naziemne powierzchnie lodu obniżyły się w tempie osiągającym 7 m rocznie w latach 2002–2010. Od połowy lat 90. do 2012 r. spływ lodu na Smith (SG) rósł szybciej niż na Pine Island (PIG) lub Thwaites (TG), ponieważ jego przepływ na linii gruntowania przyspieszył z 0,7 do 1,15 km rocznie. Prędkość przepływu Pope (PG) w tym samym okresie wzrosła z 0,55 do 0,75 km rocznie, a Kohlera (KG) z 0,8 do 1,1 km rocznie.
W tym przypadku używamy sondowania radarowego z powietrza do bezpośredniego pomiaru utraty lodu pod wodą w strefach gruntowania trzech głównych lodowców dopływowych Dotson i Crosson. Lotnicza operacja NASA IceBridge (OIB – Operation IceBridge) zbadała te obszary w 2009 r. wzdłuż trajektorii, która została po raz pierwszy przekroczona jako część wcześniejszej kampanii w 2002 r.
Zespół Ala Khazendara zauważył, że ubytek lodu w strefie gruntowania lodowca szelfowego Smith (SG) w latach 2002-2009 był mocno intensywny. Wyniósł on od 300 do 490 metrów. Czyli 40 do 70 m rocznie w zależności od lokalizacji.
Obliczanie transektu grubości lodu lodowca Smith zostało wzięte z danych z 2004 r. – z przeprowadzonej wówczas kampanii lotniczej – powietrznego badania geofizycznego Obszaru Zatokowego Amundsena (AGASEA – Airborne Geophysical Survey of the Amundsen Embayment), polegającego na pomiarach grubości lodu i wysokości lodowców od podłoża do powierzchni, dzięki zastosowaniu sondy radarowej Hi-Capability Radar (HiCARS). Niepewność pomiarów wysokości przy zastosowaniu HiCARS wyniosła 72 m.
Na temat kondycji małych lodowców szelfowych, będących „sąsiadami” olbrzymich lodowców Thwaites i Pine Island w Obszarze Zatokowym Amundsena, Anna Sierpińska w serwisie Nauka o klimacie napisała 5:
Szybkie topnienie lodowca Smith ma związek z ukształtowaniem dna morskiego, na które lodowiec wycofał się między 1996 a 2014 rokiem, oraz z warunkami panującymi w jamie pod lodem. Szczególnie szybkie zmiany zachodziły w przypadku tego lodowca w latach 1996-2006, kiedy prędkość jego spływu wzrosła o 75% (Mouginot i in., 2014). Lodowce Pope i Kohler znajdują się na inaczej wyprofilowanym dnie, wznoszącym się ku wnętrzu kontynentu (o tym, jaką stanowi to różnicę, piszemy w artykule Rozpad lądolodu Antarktydy Zachodniej nieunikniony). Mimo to lodowiec Kohler traci od spodu 14-29 m rocznie, a Pope 29-36 m, a jego linia gruntowania cofnęła się w latach 1996-2009 aż o 11 km (Khazendar i in., 2016). Lodowiec Smith pod względem tempa przesuwania się linii gruntowania jest regionalnym rekordzistą – w latach 1992-2011 było to aż 35 km (Sutterley i in., 2014). Biorąc pod uwagę zachodzące procesy, oczywistym podejrzanym staje się wpływająca pod lodowce szelfowe ciepła woda oceaniczna.
W badanym okresie pomiary wysokości, powierzchni, dna i grubości lodowców szelfowych zostały przeprowadzone za pomocą sondy głębokościowej – wielokanałowego koherentnego radaru echosondy głębokościowej (MCoRDS – Multichannel Coherent Radar Depth Sounder).
W badaniach też został wykorzystany wysokościomierz laserowy – lotniczy topograficzny program do mapowania (ATM – Airborne Topographic Mapper) zamieszczony w samolocie w ramach kampanii, wspomnianej, OIB, który przelatywał nad badanymi lodowcami wcześniej w latach 2002, 2004 i 2008.
Lokalizacje linii gruntowych w latach 1996 i 2011 zostały znalezione poprzez zastosowanie interferometrii radarowej z syntetyczną aperturą różnicową pozyskanych do danych z satelitów teledetekcyjnych Ziemi (ERS – Earth Remote Sensing) – ERS-1 i ERS-2. Linie gruntowania z 2014 r. zostały podobnie znalezione na podstawie danych satelity Sentinel-1. Szacowana dokładność przestrzenna lokalizacji linii gruntowania wynosi ± 100 m.
—
Referencje:
- Pollard D. et al., 2015 ; Potential Antarctic Ice Sheet retreat driven by hydrofracturing and ice cliff failure ; Earth and Planetary Science Letters ; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X14007961
- Sutterley T. C. et al., 2014 ; Mass loss of the Amundsen Sea Embayment of West Antarctica from four independent techniques ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2014GL061940
- University of California – Irvine, 2014 ; West Antarctic melt rate has tripled in last decade ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2014/12/141202183313.htm
- Khazendar A. et al., 2016 ; Rapid submarine ice melting in the grounding zones of ice shelves in West Antarctica ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/ncomms13243
- Sierpińska A., 2017 ; Ciepły ocean i wrażliwe lodowce ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/cieply-ocean-i-wrazliwe-lodowce-222/