Решающее значение для выживания ледника имеет баланс его массы , баланс поверхностной массы (SMB), разница между накоплением и абляцией (сублимацией и таянием). Изменение климата может вызвать изменения как температуры, так и количества снегопадов, вызывая изменения в балансе поверхностной массы. [2] Изменения баланса массы контролируют долгосрочное поведение ледника и являются наиболее чувствительными индикаторами климата на леднике. [3] С 1980 по 2012 год средняя совокупная потеря массы ледников, сообщающих о балансе массы Всемирной службе мониторинга ледников, составила −16 м. Это включает в себя 23 года подряд отрицательных балансов массы. [3]
Ледник с устойчивым отрицательным балансом выходит из равновесия и будет отступать, тогда как ледник с устойчивым положительным балансом выходит из равновесия и будет наступать. Отступление ледника приводит к потере низинной части ледника. Поскольку на возвышенностях прохладнее, чем на нижних, исчезновение самой нижней части ледника уменьшает общую абляцию, тем самым увеличивая баланс массы и потенциально восстанавливая равновесие. Однако если баланс массы значительной части зоны аккумуляции ледника отрицательный, то она находится в неравновесии с местным климатом. Такой ледник растает с сохранением местного климата. [4] Ключевым признаком неравновесия ледника является истончение по всей длине ледника. [5] Например, ледник Истон (на фото ниже), вероятно, сократится вдвое, но темпы сокращения будут замедляться, и стабилизируется на этом размере, несмотря на более высокую температуру, в течение нескольких десятилетий. Однако ледник Гриннелл (на фото ниже) будет сокращаться с возрастающей скоростью, пока не исчезнет. Разница в том, что верхняя часть ледника Истон остается здоровой и покрыта снегом, в то время как даже верхняя часть ледника Гриннелл голая, тает и истончается. Небольшие ледники с пологими склонами, такие как ледник Гриннелл, скорее всего, выйдут из равновесия, если произойдет изменение местного климата.
В случае положительного баланса массы ледник продолжит продвигаться вперед, расширяя свою низменную область, что приведет к еще большему таянию. Если это все еще не создаст равновесного баланса, ледник продолжит наступать. Если ледник находится вблизи большого водоема, особенно океана, ледник может продвигаться вперед до тех пор, пока потери от откола айсбергов не приведут к равновесию.
Различные процессы, посредством которых ледник может набирать массу, вместе известны как аккумуляция. Снегопад является наиболее очевидной формой накопления снега. Лавины, особенно в крутых горных районах, также могут увеличивать массу ледника. Другие методы включают отложение снега, переносимого ветром; замерзание жидкой воды, в том числе дождевой и талой; отложение инея в различных формах; и расширение плавающей площади льда за счет намерзания к ней дополнительного льда. Снегопад в целом является преобладающей формой накопления снега, но в конкретных ситуациях более важными могут быть другие процессы; например, лавины могут быть гораздо более важными, чем снегопады в небольших котловинах цирка. [7]
Накопление можно измерить в одной точке ледника или на любой его территории. Единицами накопления являются метры: накопление в 1 метр означает, что дополнительная масса льда на этой территории, если превратить ее в воду, увеличит глубину ледника на 1 метр. [8] [примечание 1]
Абляция — это процесс, обратный аккумуляции: он включает в себя все процессы, посредством которых ледник может терять массу. Основным процессом абляции большинства ледников, полностью расположенных на суше, является таяние; тепло, вызывающее таяние, может исходить от солнечного света или окружающего воздуха, от дождя, падающего на ледник, или от геотермального тепла под ложем ледника. Сублимация льда в пар является важным механизмом абляции ледников в засушливых условиях, на больших высотах и в очень холодных условиях и в некоторых случаях может объяснять всю потерю поверхностного льда, например, на леднике Тейлора в Трансантарктических горах. Сублимация потребляет больше энергии по сравнению с плавлением, поэтому высокие уровни сублимации снижают общую абляцию. [10]
Снег также может быть вымыт ветром с ледников, а лавины могут удалить снег и лед; это может быть важно для некоторых ледников. Откалывание, при котором лед отрывается от рыла ледника, оканчивающегося водой, образуя айсберги, является важной формой абляции для многих ледников. [10]
Как и в случае с аккумуляцией, абляцию можно измерить в одной точке ледника или на любом участке ледника, а единицами измерения являются метры. [8]
Ледники обычно накапливают массу в течение части года и теряют массу в остальную часть года; это «сезон накопления» и «сезон абляции» соответственно. Это определение означает, что скорость накопления превышает скорость абляции в течение сезона накопления, а во время сезона абляции верно обратное. [11] «Балансовый год» определяется как время между двумя последовательными минимумами массы ледников, то есть от начала одного сезона накопления до начала следующего. Поверхность снега в этих минимумах, где снег снова начинает накапливаться в начале каждого сезона накопления, можно определить в стратиграфии снега, поэтому использование балансовых лет для измерения баланса массы ледника известно как стратиграфический метод. Альтернативой является использование фиксированной календарной даты, но это требует посещения ледника каждый год в эту дату, и поэтому не всегда возможно строго придерживаться точных дат для метода фиксированного года. [12]
Баланс массы ледника — это чистое изменение его массы за балансовый или фиксированный год. Если накопление превышает абляцию за данный год, баланс массы положительный; если верно обратное, баланс массы отрицательный. Эти термины можно применить к определенной точке ледника, чтобы определить «конкретный баланс массы» для этой точки; или на весь ледник или на любую меньшую территорию. [11]
Для многих ледников аккумуляция концентрируется зимой, а абляция летом; их называют ледниками «зимнего накопления». Для некоторых ледников местный климат приводит к аккумуляции и абляции, происходящим в один и тот же сезон. Они известны как ледники «летнего накопления»; примеры можно найти в Гималаях и Тибете. Слои, которые позволяют легко отслеживать зимние аккумулирующие ледники стратиграфическим методом, непригодны для использования, поэтому предпочтителен мониторинг с фиксированными датами. [11]
Для зимнеаккумулятивных ледников удельный баланс массы обычно положителен для верхней части ледника, т. е. областью аккумуляции ледника является верхняя часть его поверхности. Линия, отделяющая область аккумуляции от области абляции — нижней части ледника, — называется линией равновесия; это линия, на которой удельный чистый баланс равен нулю. Высота линии равновесия, сокращенно ELA, является ключевым индикатором здоровья ледника; и поскольку ELA обычно легче измерить, чем общий баланс массы ледника, его часто используют в качестве показателя баланса массы. [11]
Наиболее часто используемые стандартные переменные в исследованиях баланса массы: [13]
По умолчанию термин, написанный строчными буквами, относится к значению в определенной точке поверхности ледника; термин в верхнем регистре относится к значению по всему леднику. [13]
Для определения баланса массы в зоне аккумуляции измеряют глубину снежного покрова с помощью зондирования, снежной ямы или стратиграфии трещин . В стратиграфии трещин используются годовые слои, вскрываемые на стенках трещины. [14] Подобно годичным кольцам, эти слои образуются из-за летнего осаждения пыли и других сезонных эффектов. Преимущество стратиграфии трещин состоит в том, что она обеспечивает двумерное измерение слоя снежного покрова, а не точечное измерение. Его также можно использовать на глубинах, где зондирование или снежные ямы невозможны. В ледниках умеренного пояса сопротивление проникновению зонда резко возрастает, когда его кончик достигает льда, образовавшегося в прошлом году. Глубина зонда является мерой чистого накопления над этим слоем. Снежные ямы, выкопанные в остаточном снежном покрове прошлых зим, используются для определения глубины и плотности снежного покрова. Баланс массы снежного покрова является произведением плотности и глубины. Независимо от метода измерения глубины, наблюдаемая глубина умножается на плотность снежного покрова для определения накопления в водном эквиваленте. Весной необходимо измерить плотность, так как плотность снежного покрова варьируется. Измерение плотности снежного покрова, завершенное в конце сезона абляции, дает устойчивые значения для конкретной области альпийских ледников умеренного пояса, и их не нужно измерять каждый год. В зоне абляции абляционные измерения производятся с помощью кольев, вставленных вертикально в ледник либо в конце предыдущего сезона таяния, либо в начале текущего. Длина кола, подвергающегося таянию льда, измеряется в конце сезона таяния (абляции). Большинство кольев необходимо заменять каждый год или даже в середине лета.
Чистый баланс — это баланс массы, определенный между последовательными минимумами баланса массы. Это стратиграфический метод, ориентированный на минимумы, представляющие стратиграфический горизонт. В северных средних широтах год ледников следует за гидрологическим годом, начинающимся и заканчивающимся примерно в начале октября. Минимум баланса массы приходится на конец сезона таяния. В таком случае чистый баланс представляет собой сумму наблюдаемого зимнего баланса (bw), обычно измеряемого в апреле или мае, и летнего баланса (bs), измеряемого в сентябре или начале октября.
Годовой баланс — это баланс массы, измеренный между определенными датами. Баланс массы измеряется каждый год в фиксированную дату, опять же где-то в начале октября в средних северных широтах. [15]
Геодезические методы являются косвенным методом определения баланса массы ледника. Карты ледника, составленные в два разных момента времени, можно сравнивать, а наблюдаемую разницу в толщине ледника использовать для определения баланса массы за определенный период времени. Сегодня это лучше всего достигается с помощью дифференциальной системы глобального позиционирования . Иногда самые ранние данные о профилях поверхности ледника получают из изображений, которые используются для создания топографических карт и цифровых моделей рельефа . Аэрофотосъемка или фотограмметрия в настоящее время используются для покрытия более крупных ледников и ледяных шапок, таких как Антарктида и Гренландия , однако из-за проблем с установлением точных наземных контрольных точек в гористой местности и корреляцией особенностей снега, а также там, где часто встречается затенение, ошибки высот неизбежны. обычно не менее 10 м (32 фута). [16] Лазерная альтиметрия обеспечивает измерение высоты ледника вдоль определенного пути, например, по центральной линии ледника. Разницей двух таких измерений является изменение толщины, обеспечивающее баланс массы за интервал времени между измерениями.
Исследования баланса массы проводились в разных странах мира, но в основном они проводились в Северном полушарии из-за того, что в этом полушарии больше ледников средних широт. Всемирная служба мониторинга ледников ежегодно собирает результаты измерений баланса массы со всего мира. С 2002 по 2006 год непрерывные данные доступны только по 7 ледникам в южном полушарии и 76 ледникам в северном полушарии. Средний баланс этих ледников в 2005/06 году был самым отрицательным за любой год. [18] Сходство реакции ледников на западе Северной Америки указывает на крупномасштабный характер движущегося изменения климата . [19]
Ледник Таку недалеко от Джуно, Аляска, изучается в рамках Программы исследования ледяного поля Джуно с 1946 года и является самым продолжительным непрерывным исследованием баланса массы среди всех ледников в Северной Америке . Таку — самый толстый из известных в мире ледников умеренного пояса, в котором между 1946 и 1988 годами наблюдался положительный баланс массы, что привело к огромному прогрессу. С тех пор ледник имеет отрицательную тенденцию баланса массы. [20] Программа исследования ледяного поля Джуно также изучала баланс массы ледника Лемон-Крик с 1953 года. С 1953 по 2006 год ледник имел средний годовой баланс -0,44 м в год, что привело к средней потере более 27 м. толщины льда. Эта потеря была подтверждена лазерной альтиметрией. [21]
Баланс массы ледников Хинтерайсфернер и Кессельвандфернер в Австрии постоянно отслеживается с 1952 и 1965 годов соответственно. Поскольку Хинтерайсфернер непрерывно измерялся в течение 55 лет, он имеет один из самых длительных периодов непрерывного изучения среди всех ледников в мире, основанный на измеренных данных и последовательном методе оценки. В настоящее время эта измерительная сеть включает около 10 снежных ям и около 50 абляционных столбов, распределенных по леднику. Что касается кумулятивного удельного баланса, Хинтерайсфернер испытал чистую потерю массы в период с 1952 по 1964 год, за которым последовал период восстановления до 1968 года. Хинтерайсфернер достиг прерывистого минимума в 1976 году, ненадолго восстановился в 1977 и 1978 годах и постоянно терял массу в С тех пор прошло 30 лет. Общая потеря массы с 1952 года составила 26 м. [22] Ледник Зоннбликкеес измеряется с 1957 года, и ледник потерял 12 м массы, средняя годовая потеря составляет -0,23 м в год. [23]
Исследования баланса массы ледников продолжаются в Новой Зеландии с 1957 года. С тех пор ледник Тасмана изучается Геологической службой Новой Зеландии, а затем Министерством труда, измеряя стратиграфию льда и общее движение. Однако еще более ранние закономерности колебаний были зарегистрированы на ледниках Франца-Иосифа и Фокса в 1950 году. Другие ледники на Южном острове, изученные с 1968 года, включают ледник Слоновой Кости с 1968 года, а на Северном острове были проведены исследования по отступлению ледников и балансу массы на ледниках на Гора Руапеху с 1955 года. На горе Руапеху постоянные фотографические станции позволяют использовать повторные фотографии для получения фотографических свидетельств изменений ледников на горе с течением времени. [24]
Аэрофотосъемка 50 ледников Южного острова проводилась на протяжении большей части лет, начиная с 1977 года. Данные были использованы для того, чтобы показать, что в период с 1976 по 2005 год произошла потеря объема ледников на 10%. [25]
Климатический проект ледников Северного Каскада измеряет годовой баланс 10 ледников, больше, чем любая другая программа в Северной Америке, для мониторинга всего ледникового горного хребта, который был включен в список приоритетных задач Национальной академии наук в 1983 году. с 1984 по 2008 год и представляют собой единственный набор записей, документирующих изменения баланса массы всего ледникового массива. Годовой баланс ледников Северного Каскада с 1984 по 2008 год составлял в среднем -0,48 м/год, а совокупная потеря толщины составила более 13 м или 20–40% их общего объема с 1984 года из-за отрицательных балансов массы. Тенденция баланса массы становится все более отрицательной, что приводит к еще большему отступлению и истончению ледников. [26]
Норвегия поддерживает самую обширную программу баланса массы в мире и в основном финансируется за счет гидроэнергетики. Измерения баланса массы в настоящее время (2012 г.) проводятся на пятнадцати ледниках Норвегии. На юге Норвегии шесть ледников измерялись непрерывно с 1963 года или раньше, и они представляют собой профиль с запада на восток, простирающийся от морского ледника Эльфотбриен, недалеко от западного побережья, до континентального ледника Гросубреен в восточной части Йотунхеймена . Ледник Сторбриен в Йотунхеймене измерялся в течение более длительного периода времени, чем любой другой ледник в Норвегии, начиная с 1949 года, а ледник Энгабрин в Свартисене имеет самый длинный период измерений в северной Норвегии (начиная с 1970 года). Норвежская программа — это место, где в значительной степени были заимствованы традиционные методы измерения баланса массы. [27]
Исследовательская станция Тарфала в регионе Кебнекайсе на севере Швеции находится в ведении Стокгольмского университета . Именно здесь сразу после Второй мировой войны была начата первая программа баланса масс , которая продолжается и по сей день. Это исследование положило начало записи баланса массы ледника Сторглациарен и представляет собой самое продолжительное непрерывное исследование такого типа в мире. Сторгласиярен имел совокупный отрицательный баланс массы с 1946 по 2006 год, составлявший -17 м. Программа начала мониторинг ледника Работс в 1982 году, Риукоджиетна в 1985 году и Мормагласиарен в 1988 году. Все три ледника с момента запуска имели сильный отрицательный баланс массы. [28]
Баланс массы ледников измеряется Национальным энергетическим управлением один или два раза в год на многочисленных столбах на нескольких ледяных шапках Исландии. Регулярные измерения баланса массы ям и столбов проводились на северной стороне Хофсйёкюдля с 1988 года, а также на Трандарйёкюдле с 1991 года. Профили баланса массы (ямы и столбы) были установлены на восточной и юго-западной стороне Хофсйёкюдля. с 1989 года. Аналогичные профили оценивались на выводных ледниках Тунгнаарйёкюдль, Дынгьюйёкюдль, Кёлдуквисларйёкюдль и Бруарйокудль в Ватнайёкюдле с 1992 года и на выводном леднике Эйябаккайёкюдль с 1991 года. [29]
Временные изменения в пространственном распределении баланса массы обусловлены, прежде всего, изменениями аккумуляции и плавления по поверхности. Как следствие, изменения массы ледников отражают изменения климата и потоков энергии на поверхности Земли. Швейцарские ледники Грис в центральных Альпах и Сильвретта в восточных Альпах измерялись уже много лет. Распределение сезонной аккумуляции и скорости абляции измеряется на месте. Традиционные полевые методы сочетаются с методами дистанционного зондирования для отслеживания изменений массы, геометрии и поведения потока двух ледников. Эти исследования вносят вклад в работу Швейцарской сети мониторинга ледников и Международной сети Всемирной службы мониторинга ледников (WGMS). [30]
Геологическая служба США осуществляет долгосрочную «эталонную» программу мониторинга ледников, которая используется для изучения изменения климата, баланса массы ледников, движения ледников и стока рек. Эта программа осуществляется с 1965 года и в частности исследует три ледника. Мониторинг ледника Гулькана в Аляскинском хребте и ледника Росомахи в прибрежных хребтах Аляски ведется с 1965 года, а ледник Южного Каскада в штате Вашингтон постоянно контролируется с Международного геофизического года 1957 года. Эта программа контролирует один ледник в каждом из эти горные хребты, собирая подробные данные для понимания гидрологии ледников и взаимодействия ледников с климатом. [31]
GSC управляет Канадской системой наблюдения за ледниковым климатом в рамках своей программы геонаучных исследований изменения климата. Совместно со своими университетскими партнерами он проводит мониторинг и исследования изменений ледникового климата, водных ресурсов и изменения уровня моря, используя сеть эталонных наблюдательных пунктов, расположенных в Кордильерах и Канадском Арктическом архипелаге. Эта сеть дополняется результатами дистанционного зондирования региональных изменений ледников. Места в Кордильерах включают ледники Хелм, Плейс, Андрей, Каскаквулш, Хейг, Пейто, Река Рам, Касл-Крик, Квадача и Болонья-Крик; Арктический архипелаг включает ледники Уайт, Бэби и Грайз, а также ледяные шапки Девон, Мейген, Мелвилл и Агассис. Контрольные участки GSC контролируются с использованием стандартного гляциологического метода (стратиграфического) и периодических геодезических оценок с использованием воздушного лидара. Подробную информацию, контактную информацию и базу данных можно найти здесь: [32] Ледник Хельм (−33 м) и ледник Плейс (−27 м) потеряли более 20% своего объема, с 1980 г. ледник Пейто (−20 м) близка к этой сумме. Канадский арктический белый ледник не был таким отрицательным (-6 м) с 1980 года.
Сеть мониторинга ледников в Боливии , филиал гляцио-гидрологической системы наблюдения, установленный в тропических Андах IRD и партнерами с 1991 года, отслеживает баланс массы на Зонго (6000 м над уровнем моря), Чакалтайе (5400 м над уровнем моря) и Чаркини. ледники (5380 м над уровнем моря). Использовалась система ставок с частыми полевыми наблюдениями, например, ежемесячно. Эти измерения были проведены совместно с энергетическим балансом, чтобы определить причину быстрого отступления и потери баланса массы этих тропических ледников. [33]
В настоящее время гляциологические станции существуют в России и Казахстане. В России есть 2 станции: ледник Джанкуат на Кавказе, расположенный недалеко от горы Эльбрус, и ледник Актру в Горном Алтае. В Казахстане есть гляциологическая станция на леднике Туюк-Су, на Тянь-Шане, недалеко от города Алматы.
Недавно разработанная модель баланса ледников, основанная на принципах Монте-Карло, является многообещающим дополнением как к ручным полевым измерениям, так и к геодезическим методам измерения баланса массы с использованием спутниковых изображений. Модель PTAA (осадки-температура-площадь-высота) требует только ежедневных наблюдений за осадками и температурой, собираемыми обычно на низковысотных метеостанциях, а также распределения площади ледника по высоте. [34] [35] Выходными данными являются суточное накопление снега (Bc) и абляция (Ba) для каждого высотного интервала, которые преобразуются в баланс массы по формуле Bn = Bc – Ba. Накопление снега (Bc) рассчитывается для каждого интервала площади и высоты на основе наблюдаемых осадков на одной или нескольких метеостанциях, расположенных на более низких высотах, расположенных в том же регионе, что и ледник, и трех коэффициентов, которые преобразуют осадки в накопление снега. Необходимо использовать существующие метеостанции, которые имеют длительные непрерывные записи, чтобы можно было определить среднегодовые значения и другие статистические данные. Абляция (Ba) определяется по температуре, наблюдаемой на метеостанциях вблизи ледника. Ежедневные максимальные и минимальные температуры преобразуются в абляцию ледников с использованием двенадцати коэффициентов.
Пятнадцать независимых коэффициентов, которые используются для преобразования наблюдаемой температуры и осадков в абляцию и накопление снега, применяют процедуру симплексной оптимизации. Симплекс автоматически и одновременно вычисляет значения для каждого коэффициента, используя принципы Монте-Карло, которые полагаются на случайную выборку для получения числовых результатов. Точно так же модель PTAA выполняет повторные расчеты баланса масс, ежеминутно корректируя баланс для каждой итерации.
Модель PTAA была протестирована на восьми ледниках на Аляске, в Вашингтоне, Австрии и Непале. Рассчитанные годовые балансы сравниваются с измеренными балансами примерно за 60 лет для каждого из пяти ледников. Росомаха и Гулькана на Аляске, Хинтерайсфернер, Кессельвандфернер и Вернагтфернер в Австрии. Его также применяли к леднику Лангтанг в Непале. Результаты этих тестов показаны на веб-сайте GMB (баланс массы ледника) ptaagmb.com. Линейные регрессии модельных и ручных измерений баланса основаны на подходе разделения выборки, поэтому рассчитанные массовые балансы не зависят от температуры и осадков, используемых для расчета массового баланса.
Регрессия модели по сравнению с измеренными годовыми балансами дает значения R 2 от 0,50 до 0,60. Применение модели к леднику Беринга на Аляске продемонстрировало близкое соответствие с потерей объема льда за период 1972–2003 гг., измеренной геодезическим методом. Определение баланса массы и стока частично покрытого обломками ледника Лангтанг в Непале демонстрирует применение этой модели к леднику в Гималайском хребте . [36]
Корреляция между абляцией ледников на хребте Врангеля на Аляске и глобальными температурами, наблюдаемыми на 7000 метеостанциях в Северном полушарии, указывает на то, что ледники более чувствительны к глобальному климату, чем отдельные температурные станции, которые не показывают подобных корреляций. [37]
Проверка модели для демонстрации реакции ледников на северо-западе США на будущее изменение климата показана с помощью подхода иерархического моделирования. [38] Климатическое даунскейлинг для оценки массы ледников с использованием модели PTAA применяется для определения баланса ледников Беринга и Хаббарда, а также проверено для Гульканы, эталонного ледника Геологической службы США. [39]
