Ogólnie kontynent Antarktydy w głębi lądu, zwłaszcza na wysoko położonej, górzystej, kilkakrotnie większej części wschodniej, jest w dużym stopniu nadal zamarznięty, ale i tam pojawiają się też na wybrzeżach wyrwy w lodowcach szelfowych, w które wnikają coraz cieplejsze wody głębinowe. Tam jednak na razie proces powierzchniowego topnienia i tak intensywnego cielenia gór nie przebiega tak szybko jak w części zachodniej. Ale to wszystko jeszcze może się zmienić dzięki takim ogromnym lodowcom szelfowym jak Totten czy Denmann, które zaczynają destabilizowywać pokrywę lodową Wschodniej Antarktydy (EAIS – East Antarctic Ice Sheet).
Destabilizacja Lodowca Szelfowego Totten została zaobserwowana po raz pierwszy w 2016 roku przez australijskiego naukowca Alana Aitkena z Uniwersytetu Zachodniej Australii (University of Western Australia) w Uczelni Ziemi i Środowiska (School of Earth and Environment), będącego jednym z głównych autorów w międzynarodowym zespole badawczym z Instytutu Geofizyki na Uniwersytecie Teksaskim w Austin (UTIG – The University of Texas at Austin’s Institute for Geophysics) 10.
—
Fot.1. Lodowiec Szelfowy Totten, Antarktyda Wschodnia. Zdjęcie: Esmee van Wijk/Australian Antarctic Division
—
Wyniki badań lodowca szelfowego Totten oparte na symulacji modelu pokrywy lodowej oraz na danych aerogeofizycznych Międzynarodowej Wspólnej Eksploracji Kriosfery poprzez Profilowanie z Powietrza (ICECAP – International Collaborative Exploration of the Cryosphere through Airborne Profiling), ukazały dwa obszary, na których zostały prawie odsłonięte skały leżące nad płaszczem Ziemi, poddane głębokiej erozji pokrywy lodowej.
a) na czole lodowca Totten, w odległości 150 kilometrów od dzisiejszej linii gruntowania
b) głęboko w Basenie Subglacjalnym Sabrina, 350–550 kilometrów od tej linii gruntowania
Autorzy w swojej pracy napisali:
Kilka linii dowodów sugeruje możliwe zawalenie się lodowca Totten do wewnętrznych basenów, tak jak w minionych ciepłych okresach, w szczególności jak w epoce pliocenu powodując kilkumetrowy wzrost poziomu morza.
—
Rys.1. Regiony o różnej charakterystyce erozji dla Basenu Subglacjalnego Sabrina (SSB – Sabrina Subglacial Basin) na podstawie wysokości i charakteru topografii subglacjalnej oraz różnic w zachowanej miąższości basenów sedymentacyjnych. Grube linie ciągłe i przerywane pokazują odpowiednio granice A/B i B/C. Cienkie linie pokazują interpretowane granice wzoru erozji dendrytycznej dla regionów C i B1. Cienkie kropkowane linie wskazują region Cape Goodenough. Ramka pokazuje położenie regionu w obrębie Antarktydy (Alan Aitken i in., 2016).
—
Na ilustracji dodatkowo widać Basen Subglacjalny Aurora (ASB – Aurora Subglacial Basin) i Basen Subglacjalny Vincennes (VSB – Vincennes Subglacial Basin), wyżyna A,B,C, Wyżyna Terre Adelle (Terre Adelle Highland), region Cape Goodenough, Kopuła Law (Law Dome), Kopuła C (Dome C), Wybrzeże Knox (Knox Coast), Lodowiec Szelfowy Uniwersytetu Moskiewskiego (MUIS – Moscow University Ice Shelf). Grzbiet B (Ridge B)
Badania pokazują, że na obrzeżach lodowca Totten, z nisko położonymi basenami subglacjalnymi, może dochodzić do znacznie większej utraty lodu, gdy wody oceaniczne będą się coraz bardziej ocieplać. W szczególności modyfikacja okołobiegunowej wody głębinowej (CDW – Circumpolar Deep Water) i jej wnikanie do wnęki szelfu Tottenu może sprzyjać coraz większemu topnieniu i dalszej destabilizacji lodowca. A to powoduje erozję podstawy szelfu i przyspieszenie spływu lodu z wnętrza kontynentu do oceanu. Między innymi takiej erozji jest poddany Basen Subglacjalny Sabrina (SSB – Sabrina Subglacial Basin), który jest zależny właśnie od podstawowej prędkości pokrywy lodowej.
Naukowcy w swoich badaniach zauważyli, że większe i grubsze pokrywy lodowe częściej wykazują erozję rozproszoną, podczas gdy mniejsze i cieńsze pokrywy lodowe częściej wykazują erozję selektywną. Na temat konfiguracji pokrywy lodowej Wschodniej Antarktyki w obszarze lodowca Totten tak napisali:
Obszar przejściowy o szerokości 200–250 kilometrów jest mniej zerodowany, sugeruje krótsze narażenie na warunki erozji podczas powtarzających się zdarzeń cofania się i posuwania się naprzód lodowca, które prawdopodobnie są spowodowane niestabilnością wymuszoną przez ocean. Reprezentatywne modele lądolodu wskazują, że globalny wzrost poziomu morza wynikający z odwrotu lodowca w tym sektorze może sięgać od 0,9 metra, a nawet do 2 metrów.
Jeszcze jedna ważna praca badawcza z tego samego roku, kierowana przez zespół Stephena Richa Rintoula, wykazała, że mechanizm wnikania ciepłych wód oceanicznych pod podłoże szelfu lodowca Totten następuje tak samo jak to ma miejsce od co najmniej początku drugiej dekady pod lodowcami szelfowymi Antarktydy Zachodniej. Obserwacje z cielenia gór lodowych na Tottenie pokazały, że ponad 10 6 m3 / s ciepłej oceanicznej wody dostaje się do jego wnęki podlodowej.
Satelitarne pomiary grawitacyjne mierzące wysokość lodowców ukazały znaczące przerzedzenie także na pokrywie lodowców szelfowych Antarktydy Wschodniej. Jednak w 2016 roku największemu wpływowi utraty masy lodu doznał lodowiec Totten.
Wcześniejsze badania miały charakter dwuznaczny, jeśli chodzi o badanie pokrywy lodowej Tottenu.
Autorzy pracy napisali:
Wysokościomierze laserowe wykazały przerzedzenie w latach 2003-2008 (Hamish D. Pritchard i in., 2012), wysokościomierze radarowe wykazały dużą zmienność czasową bez znaczącej utraty objętości netto w latach 1994-2012 (Fernando S. Paolo i inni, 2015), a niedawne badanie wykazało, że wywnioskowana średnia podstawowa szybkość topnienia w okresie 2005-2011 była o około jedną trzecią większa niż stała szybkość topnienia wymagana do zrównoważenia masy (Yan Liu i inni, 2014).
—
Rys.2. Batymetria, zanurzenie szelfu lodowego, stan lodu morskiego i lokalizacje stacji oceanicznych w pobliżu lodowca Totten (Stephen Rich Rintoul i in., 2016).
—
Na zdjęciu poniżej, na podstawie danych geofizycznych, przedstawiona jest batymetria dna morskiego oraz wysokość granicy lodu ze skałą, w metrach nad poziomem morza, na podstawie danych geofizycznych z powietrza (Jasmin S. Greenbaum i inni, 2015). Czerwone kropki wskazały stacje, w których wykryto zmodyfikowaną okołobiegunową ciepłą wodę (mCDW – Modified Circumpolar Deep Water). Linia gruntowania szelfu lodowca zaznaczona została na czarno na podstawie danych satelitarnych (Eric Rignot i inni, 2011), zaktualizowanych z radaru pokładowego w celu wskazania dostępu oceanu do wschodniej części szelfu lodowego. Linia brzegowa została wyznaczona na podstawie satelitarnych zdjęć radarowych z 2004 r. (Ted A. Scambos i inni, 2007).
Panel górny pokazał stan lodu morskiego w dniu 7 stycznia 2015 r., uzyskany z pomiarów spektroradiometru obrazowego o średniej rozdzielczości. Zarysy języka lodowego Tottena (TIS), lodowca szelfowego Uniwersytetu Moskiewskiego i kontynentu antarktycznego zaznaczono cienkimi czarnymi liniami, a pęknięcia szelfu kontynentalnego grubą czarną linią. Szybki lód (FI) występuje przed zachodnimi i wschodnimi granicami TIS.
—
Cztery lata później w części wschodniej Antarktydy pojawiła się destabilizacja nowego lodowca szelfowego. Jest nim Denman. Praca, która ukazała się na ten temat, opisuje destabilizację kolejnego dużego lodowca szelfowego we wschodniej części Antarktydy w Basenie Wilkesa.
—
Fot.2. Zdjęcie przedstawia zmarszczki na powierzchni lodowca Denman na Antarktydzie Wschodniej, które rzucają cień na lód. Lodowiec topi się teraz w szybszym tempie niż w latach 2003-2008. Lodowiec cofnął się o 5,4 kilometra w latach 1996-2018, według nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z NASA Jet Propulsion Laboratory i University of California w Irvine (NASA.gov)
—
Autorzy pracy pod egidą Virginii Brancato z NASA Jet Propulsion Laboratory, zauważyli że lodowiec szelfowy Denman na Antarktydzie Wschodniej zawiera objętość lodu, która odpowiada 1,5 m wzrostu globalnego średniego poziomu morza (GMSL – Global Mean Sea Level). 11
Za pomocą zespołu czterech cywilno-wojskowych małych włoskich satelitów (COSMO-SkyMed – COnstellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation), dzięki metodzie interferometrii radarowej, naukowcy wykryli, że w ciągu okresu 1996-2018 linia gruntowania na lodowcu Denman wycofała się o długość 5,4 ± 0,3 km.
Dokładne analizy rekonstrukcji topografii podłoża lodowca wskazały, że jeśli okołobiegunowa woda głębinowa (CDW – Circumpolar Deep Water) przedrze się pod spód szelfu lodowego do jego wnęki podlodowej, a lód będzie topić się z prędkością przekraczającą linię gruntowania, to zdaniem naukowców może to być groźny sygnał wskazujący na nieodwracalne cofanie się Lodowca Szelfowego Denman do Basenu Wilkesa, najgłębszego basenu na całej Antarktydzie.
—
Rys.3. Lodowiec Denman: linia gruntowania (grounding line) w 1996 i 2018 r (NASA Earth Observatory).
—
Obraz powyższy wykonany został przez satelitę Landsat 8 w dniach 26-28 lutego 2020 r. Mapa ta ukazuje trójwymiarowy widok topografii — kształtu lądu powierzchni i dna morskiego pod lodem — wokół lodowca Denman, na podstawie pomiarów wykonanych za pomocą radaru i instrumentów wykrywających grawitację. Różowa linia wyznacza linię uziemienia zmierzoną w 1996 roku, podczas gdy żółta wskazuje linię zaobserwowaną podczas nowego badania w 2018 r. Lód płynie na mapie od lewej strony (wnętrza lądu) do prawej strony (ku obrzeżom lądu). Im jest ciemniejszy błękit, tym głębsze dno morskie pokazuje rysunek.
Naukowcy śledząc przebieg drogi penetrowania ciepłych wód pod lodowcem szelfowym Denman wyciągnęli następujące wnioski:
Nasza nowatorska rekonstrukcja topografii podłoża lodowca wskazuje, że odwrót przebiega po zachodniej flance wzdłuż nieznanego wcześniej koryta o szerokości 5 km i głębokości 1800 m, który pogłębia się do 3400 m poniżej poziomu morza. Na wschodniej flance linię gruntowania stabilizuje grzbiet o szerokości 10 km. Przy częstotliwościach pływów linia gruntowania rozciąga się na kilkunastokilometrowej strefie gruntu, umożliwiając ciepłej wodzie oceanicznej stopienie lodu w miejscach krytycznych dla stabilności lodowca.
Ogólnie w badaniach lodowca Denman wykorzystano:
- Mapowanie linii gruntowania (tworzenie interferogramów SAR z 1-dniowym przedziałem czasowym, spójnie łączące akwizycje SAR z satelitów ERS-1/2 w roku 1996 oraz z konstelacji satelitów COSMO-SkyMed (CSK) Agenzia Spaziale Italiana w latach 2016, 2017 i 2018) (Pietro Milillo i in., 2017 ; Eric Rignot, 2002)
- Obliczanie powierzchni lodu i wysokości dna (zastosowanie danych dzięki misji satelitarnej Ice Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) (GLAH14, wersja 34) oraz kampanii pomiarowej ICEBridge (OIB) (tj. dzięki zastosowaniu wysokościomierza laserowego Riegla; Donald D. Blankenship i in., 2012) do kalibracji wysokości bezwzględnej DEM TDX nad wychodniami skalnymi (Pietro Milillo i in., 2019). Podane szacunki bezwzględnej wysokości TDX DEM wskazują, że są lepsze niż 2 m (Paola Rizzoli i in., 2017).
- Obliczanie zmian wysokości i topnienia lodu szelfowego (zastosowanie metody Eulera (tj. stałej siatki referencyjnej), jak i metody Lagrange’a (tj. siatki referencyjnej poruszającej się wraz z lodem) (Geir Moholdt i in., 2014 ; David E. Shean i in., 2019), dających oszacowanie szybkości topnienia szelfu lodowego przy założeniu jednolitego tempa ruchu poziomego i lodu w równowadze hydrostatycznej.
- Dane oceanograficzne (wykorzystanie danych hydrograficznych zebranych na wszystkich oceanach świata, od bieguna południowego do bieguna północnego, przez oprzyrządowane ssaki morskie w latach 2004–2005 i 2011–2015, dystrybuowane przez konsorcjum Marine Mammals Exploring the Oceans Pole to Pole (MEOP) (A. M. Treasure et al., 2017).
- Batymetria (zastosowanie trójwymiarowej inwersji danych grawitacyjnych w powietrzu w celu obliczenia batymetrii pod językiem lodowym Denmana (DIT – Denman Ice Tongue), przy użyciu BedMachine Antarctica – zestawu danych, będącego częścią programu NASA Making Earth System Data Records for Use in Research Environments (MEaSUREs), zawierającego mapę topografii i batymetrii podłoża Antarktydy (Mathieu Morlighem i in., 2019). Słup wody pod DIT ustalony został arbitralnie na głębokości 40 m. Grubość szelfu lodowego została obliczona dzięki użyciu cyfrowego modelu wysokości (DEM –Digital Elevation Model) Antarktydy przy założeniu, że lód znajduje się w równowadze hydrostatycznej.
—
Referencje:
- Aitken A. et al., 2016 ; Repeated large-scale retreat and advance of Totten Glacier indicated by inland bed erosion ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature17447
- Rintoul S. R. et al., 2016 ; Ocean heat drives rapid basal melt of the Totten Ice Shelf ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1601610
- Brancato V. et al., 2020 ; Grounding Line Retreat of Denman Glacier, East Antarctica, Measured With COSMO‐SkyMed Radar Interferometry Data ; Geophysical Reseach Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL086291