Решающее значение для выживания ледника имеет его баланс массы , в том числе поверхностный баланс массы (SMB), разница между накоплением и абляцией (сублимацией и таянием). Изменение климата может вызвать изменения как температуры, так и количества выпавшего снега, что приведет к изменению поверхностного баланса массы. [2] Изменения в балансе массы контролируют долгосрочное поведение ледника и являются наиболее чувствительными климатическими индикаторами на леднике. [3] С 1980 по 2012 год средняя кумулятивная потеря массы ледников, сообщающих баланс массы Всемирной службе мониторинга ледников, составляет −16 м. Это включает 23 последовательных года отрицательного баланса массы. [3]
Ледник с устойчивым отрицательным балансом находится вне равновесия и будет отступать, в то время как ледник с устойчивым положительным балансом находится вне равновесия и будет наступать. Отступление ледника приводит к потере области низкой высоты ледника. Поскольку более высокие высоты холоднее, чем более низкие, 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, он находится в неравновесии с местным климатом. Такой ледник растает при сохранении этого местного климата. [4] Ключевым симптомом ледника в неравновесии является истончение по всей длине ледника. [5] Например, ледник Истон (на фото ниже), вероятно, сократится вдвое, но с замедлением темпов сокращения и стабилизируется на этом размере, несмотря на более высокую температуру, в течение нескольких десятилетий. Однако ледник Гриннелл (на фото ниже) будет уменьшаться с возрастающей скоростью, пока не исчезнет совсем. Разница в том, что верхняя часть ледника Истон остается здоровой и покрытой снегом, в то время как верхняя часть ледника Гриннелл голая, тает и истончилась. Небольшие ледники с пологими склонами, такие как ледник Гриннелл, с наибольшей вероятностью выйдут из равновесия, если произойдет изменение местного климата.
В случае положительного баланса массы ледник продолжит продвигаться, расширяя свою низкорасположенную область, что приведет к большему таянию. Если это все еще не создает равновесного баланса, ледник продолжит продвигаться. Если ледник находится вблизи большого водоема, особенно океана, ледник может продвигаться до тех пор, пока потери от откалывания айсбергов не приведут к равновесию.
Различные процессы, посредством которых ледник может набирать массу, в совокупности известны как аккумуляция. Снегопад является наиболее очевидной формой аккумуляции. Лавины, особенно в крутых горных условиях, также могут добавлять массу леднику. Другие методы включают отложение снега, наносимого ветром; замерзание жидкой воды, включая дождевую и талую воду; отложение инея в различных формах; и расширение плавучей области льда путем замерзания дополнительного льда к ней. Снегопад является преобладающей формой аккумуляции в целом, но в определенных ситуациях другие процессы могут быть более важными; например, лавины могут быть гораздо более важными, чем снегопад в небольших цирковых бассейнах. [7]
Накопление можно измерить в одной точке ледника или для любой области ледника. Единицами накопления являются метры: 1 метр накопления означает, что дополнительная масса льда для этой области, 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 для большинства ледников, которые полностью находятся на суше, является таяние; тепло, вызывающее таяние, может исходить от солнечного света, окружающего воздуха, дождя, выпадающего на ледник, или геотермального тепла под ложем ледника. Сублимация льда в пар является важным механизмом абляции для ледников в засушливых условиях, на больших высотах и в очень холодных условиях и может объяснить всю потерю поверхностного льда в некоторых случаях, например, ледник Тейлора в Трансантарктических горах. Сублимация потребляет гораздо больше энергии по сравнению с таянием, поэтому высокие уровни сублимации имеют эффект снижения общей абляции. [10]
Снег также может быть вымыт из ледников ветром, а лавины могут удалить снег и лед; это может быть важно для некоторых ледников. Откол, при котором лед отделяется от языка ледника, который заканчивается водой, образуя айсберги, является значимой формой абляции для многих ледников. [10]
Как и в случае с аккумуляцией, абляцию можно измерить в одной точке ледника или для любой его области, а единицами измерения являются метры. [8]
Ледники обычно накапливают массу в течение части года и теряют массу в остальное время года; это «сезон накопления» и «сезон абляции» соответственно. Это определение означает, что скорость накопления больше, чем скорость абляции в течение сезона накопления, а в течение 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 начинает накапливаться снова в начале каждого сезона накопления, идентифицируется 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 полевого 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 год 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 получить «удельный баланс массы» для этой точки; или ко всему леднику или любой меньшей площади. [11]
Для многих ледников накопление сосредоточено зимой, а абляция летом; их называют ледниками «зимней аккумуляции». Для некоторых ледников местный климат приводит к тому, что накопление и абляция происходят в один и тот же сезон. Они известны как ледники «летней аккумуляции»; примеры можно найти в Гималаях и Тибете. Слои, которые делают ледники зимней аккумуляции легко контролируемыми с помощью стратиграфического метода, непригодны для использования, поэтому предпочтительнее мониторинг с фиксированной датой. [11]
Для ледников зимнего накопления удельный баланс массы обычно положителен для верхней части ледника — другими словами, область аккумуляции ледника — это верхняя часть его поверхности. Линия, разделяющая 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 показателем здоровья ледника; и поскольку ELA обычно легче измерить, чем общий баланс массы ледника, ее часто принимают в качестве заменителя баланса массы. [11]
Наиболее часто используемые стандартные переменные в исследованиях баланса массы: [13]
По умолчанию термин в нижнем регистре относится к значению в определенной точке на поверхности ледника; термин в верхнем регистре относится к значению по всему леднику. [13]
Для определения баланса массы в зоне аккумуляции глубина снежного покрова измеряется с помощью зондирования, снежных ям или стратиграфии трещин . Стратиграфия трещин использует годовые слои, обнаруженные на стенке трещины. [14] Подобно кольцам деревьев, эти слои обусловлены летним осаждением пыли и другими сезонными эффектами. Преимущество стратиграфии трещин заключается в том, что она обеспечивает двумерное измерение слоя снежного покрова, а не точечное измерение. Она также может использоваться на глубинах, где зондирование или снежные ямы невозможны. В умеренных ледниках сопротивление вставки зонда резко увеличивается, когда его кончик достигает льда, образовавшегося в предыдущем году. Глубина зонда является мерой чистого накопления над этим слоем. Снежные ямы, вырытые 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, чтобы определить накопление в водном эквиваленте. Плотность необходимо измерять весной, поскольку плотность снежного покрова меняется. Измерение плотности снежного покрова, выполненное в конце сезона абляции, дает постоянные значения для определенной области на умеренных альпийских ледниках и не требует ежегодных измерений. В зоне абляции измерения абляции производятся с помощью кольев, вставленных вертикально в ледник либо в конце предыдущего сезона таяния, либо в начале текущего. Длина кола, обнаженного тающим льдом, измеряется в конце сезона таяния (абляции). Большинство кольев необходимо заменять каждый год или даже в середине лета.
Чистый баланс — это баланс массы, определяемый между последовательными минимумами баланса массы. Это стратиграфический метод, фокусирующийся на минимумах, представляющих стратиграфический горизонт. В северных средних широтах ледниковый год следует за гидрологическим годом, начинающимся и заканчивающимся около начала октября. Минимум баланса массы — это конец сезона таяния. Чистый баланс тогда 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 в фиксированную дату каждый год, снова где-то в начале октября в средних северных широтах. [15]
Геодезические методы являются косвенным методом определения баланса массы ледника. Карты ледника, сделанные в два разных момента времени, можно сравнивать, а разницу в наблюдаемой толщине ледника использовать для определения баланса массы за период в несколько лет. Сегодня это лучше всего достигается с помощью дифференциальной глобальной системы позиционирования . Иногда самые ранние данные о профилях поверхности ледника берутся из изображений, которые используются для создания топографических карт и цифровых моделей рельефа . Аэрофотосъемка или фотограмметрия в настоящее время используется для покрытия более крупных ледников и ледяных шапок, таких как Антарктида и Гренландия , однако из-за проблем с установлением точных контрольных точек наземного уровня в горной местности и корреляцией особенностей в снегу и там, где затенение является обычным явлением, погрешности высоты обычно составляют не менее 10 м (32 фута). [16] Лазерная альтиметрия обеспечивает измерение высоты ледника вдоль определенного пути, например, центральной линии ледника. Разница двух таких измерений представляет собой изменение толщины, которое обеспечивает баланс масс за промежуток времени между измерениями.
Исследования баланса массы проводились в разных странах мира, но в основном в Северном полушарии из-за большего количества ледников в средних широтах в этом полушарии. Всемирная служба мониторинга ледников ежегодно собирает данные измерений баланса массы по всему миру. С 2002 по 2006 год непрерывные данные доступны только для 7 ледников в Южном полушарии и 76 ледников в Северном полушарии. Средний баланс этих ледников был самым отрицательным за любой год в 2005/06. [18] Сходство реакции ледников в западной части Северной Америки указывает на масштабный характер движущего изменения климата . [19]
Ледник Таку около Джуно, Аляска, изучается Программой исследований ледяных полей Джуно с 1946 года и является самым продолжительным непрерывным исследованием баланса массы любого ледника в Северной Америке . Таку является самым толстым известным умеренным альпийским ледником в мире и испытал положительный баланс массы между 1946 и 1988 годами, что привело к огромному продвижению. С тех пор ледник имеет отрицательную тенденцию баланса массы. [20] Программа исследований ледяных полей Джуно также изучала баланс массы ледника Лемон-Крик с 1953 года. Ледник имел средний годовой баланс -0,44 м в год с 1953 по 2006 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 непрерывно отслеживается с 1952 и 1965 годов соответственно. Хинтерайсфернер, непрерывно измеряемый в течение 55 лет, имеет один из самых длительных периодов непрерывного изучения среди всех ледников в мире, основанный на данных измерений и последовательном методе оценки. В настоящее время эта измерительная сеть включает около 10 снежных ям и около 50 абляционных столбов, распределенных по всему леднику. С точки зрения кумулятивных удельных балансов, Хинтерайсфернер испытал чистую потерю массы между 1952 и 1964 годами, за которой последовал период восстановления до 1968 года. Хинтерайсфернер достиг прерывистого минимума в 1976 году, ненадолго восстановился в 1977 и 1978 годах и непрерывно терял массу в течение 30 лет с тех пор. Общая потеря массы составила 26 м с 1952 года [22] Ледник Зоннбликкеес измеряется с 1957 года, и ледник потерял 12 м массы, что составляет среднюю ежегодную потерю -0,23 м в год. [23]
Исследования баланса массы ледника ведутся в Новой Зеландии с 1957 года. С тех пор ледник Тасман изучается Геологической службой Новой Зеландии, а позднее Министерством общественных работ, измеряя стратиграфию льда и общее движение. Однако еще более ранние модели колебаний были задокументированы на ледниках Франца-Иосифа и Фокса в 1950 году. Другие ледники на Южном острове, которые изучались, включают ледник Айвори с 1968 года, в то время как на Северном острове исследования отступления ледника и баланса массы проводятся на ледниках горы Руапеху с 1955 года. На горе Руапеху постоянные фотографические станции позволяют использовать повторную фотосъемку для предоставления фотографических доказательств изменений ледников на горе с течением времени. [24]
Аэрофотосъемка 50 ледников на Южном острове проводилась в течение многих лет с 1977 года. Данные были использованы для того, чтобы показать, что в период с 1976 по 2005 год объем ледников сократился на 10%. [25]
Проект по климату ледников Северного Каскада измеряет годовой баланс 10 ледников, больше, чем любая другая программа в Северной Америке, для мониторинга всего покрытого ледником горного хребта, который был включен в список приоритетных задач Национальной академии наук в 1983 году. Эти записи охватывают период с 1984 по 2008 год и представляют собой единственный набор записей, документирующих изменения баланса массы всего покрытого ледником хребта. Годовой баланс ледников Северного Каскада в среднем составлял −0,48 м/год с 1984 по 2008 год, что представляет собой совокупную потерю толщины более 13 м или 20–40% от их общего объема с 1984 года из-за отрицательного баланса массы. Тенденция в балансе массы становится все более отрицательной, что подпитывает большее отступление ледников и истончение. [26]
Норвегия поддерживает самую обширную программу баланса массы в мире и в значительной степени финансируется за счет гидроэнергетической промышленности. Измерения баланса массы в настоящее время (2012) проводятся на пятнадцати ледниках в Норвегии. В южной Норвегии шесть ледников непрерывно измеряются с 1963 года или ранее, и они представляют собой западно-восточный профиль, простирающийся от морского ледника Ålfotbreen, недалеко от западного побережья, до континентального ледника Gråsubreen, в восточной части Ютунхеймена . Ледник Storbreen в Ютунхеймене измерялся в течение более длительного периода времени, чем любой другой ледник в Норвегии, начиная с 1949 года, в то время как ледник Engabreen в Свартисене имеет самую длинную серию в северной Норвегии (начиная с 1970 года). Норвежская программа - это то, где традиционные методы измерения баланса массы были в значительной степени получены. [27]
Научно-исследовательская станция Tarfala в регионе Кебнекайсе на севере Швеции управляется Стокгольмским университетом . Именно здесь была начата первая программа по балансу массы сразу после Второй мировой войны , которая продолжается и по сей день. Это исследование положило начало записи баланса массы ледника Storglaciären и представляет собой самое продолжительное непрерывное исследование такого типа в мире. Storglaciären имел кумулятивный отрицательный баланс массы с 1946 по 2006 год в размере -17 м. Программа начала мониторинг ледника Rabots в 1982 году, Riukojietna в 1985 году и Mårmaglaciären в 1988 году. Все три из этих ледников имели сильный отрицательный баланс массы с момента начала. [28]
Баланс массы ледника измеряется один или два раза в год на многочисленных кольях на нескольких ледяных шапках Исландии Национальным энергетическим управлением. Регулярные измерения баланса массы с помощью ям и кольев проводились на северной стороне Хофсйёкюдля с 1988 года, а также на Трандарйёкюдле с 1991 года. Профили баланса массы (яма и кол) были установлены на восточной и юго-западной стороне Хофсйёкюдля с 1989 года. Аналогичные профили были оценены на выводных ледниках Тунгнаарйёкюдль, Дынгьюйёкюдль, Кёльдуквисларйёкюдль и Бруарйёкюдль в Ватнайёкюдле с 1992 года и выводном леднике Эйябаккайёкюдль с 1991 года. [29]
Временные изменения в пространственном распределении баланса массы являются результатом, прежде всего, изменений в накоплении и таянии вдоль поверхности. Как следствие, изменения в массе ледников отражают изменения климата и потоков энергии на поверхности Земли. Швейцарские ледники Грис в Центральных Альпах и Сильвретта в Восточных Альпах измеряются в течение многих лет. Распределение сезонных скоростей накопления и абляции измеряется на месте. Традиционные полевые методы сочетаются с методами дистанционного зондирования для отслеживания изменений в массе, геометрии и поведении потока двух ледников. Эти исследования вносят вклад в Швейцарскую сеть мониторинга ледников и Международную сеть Всемирной службы мониторинга ледников (WGMS). [30]
USGS реализует долгосрочную программу мониторинга ледников «benchmark», которая используется для изучения изменения климата, баланса массы ледников, движения ледников и стока рек. Эта программа действует с 1965 года и изучает три ледника в частности. Ледник Гулкана в Аляскинском хребте и ледник Росомахи в Прибрежных хребтах Аляски оба контролируются с 1965 года, в то время как ледник Южный Каскад в штате Вашингтон постоянно контролируется с Международного геофизического года 1957 года. Эта программа контролирует один ледник в каждом из этих горных хребтов, собирая подробные данные для понимания гидрологии ледников и взаимодействия ледников с климатом. [31]
GSC управляет Канадской системой наблюдения за ледниками и климатом в рамках своей Программы по геонаукам об изменении климата. Совместно со своими партнерами из университетов она проводит мониторинг и исследования изменений ледников и климата, водных ресурсов и изменения уровня моря, используя сеть опорных пунктов наблюдения, расположенных в Кордильерах и Канадском Арктическом архипелаге. Эта сеть дополняется оценками региональных изменений ледников с помощью дистанционного зондирования. К пунктам в Кордильерах относятся ледники Хелм, Плейс, Андрей, Каскаквулш, Хейг, Пейто, Рэм-Ривер, Касл-Крик, Квадача и Болонья-Крик; к Арктическому архипелагу относятся ледники Уайт, Бэби и Гриз, а также ледяные шапки Девон, Мейен, Мелвилл и Агассис. Опорные пункты GSC контролируются с использованием стандартного гляциологического метода на основе кольев (стратиграфического) и периодических геодезических оценок с использованием бортового лидара. Подробная информация, контактная информация и база данных доступны здесь: [32] Ледники Helm (−33 м) и Place (−27 м) потеряли более 20% от своего общего объема с 1980 года, ледник Peyto (−20 м) близок к этому количеству. Канадский арктический белый ледник не был таким отрицательным (−6 м) с 1980 года.
Сеть мониторинга ледников в Боливии , ответвление гляцио-гидрологической системы наблюдения, установленной в тропических Андах IRD и партнерами с 1991 года, отслеживала баланс массы на ледниках Зонго (6000 м над уровнем моря), Чакалтайя (5400 м над уровнем моря) и Чарквини (5380 м над уровнем моря). Была использована система кольев с частыми полевыми наблюдениями, так часто, как и ежемесячно. Эти измерения проводились 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, находится недалеко от горы Эльбрус, и ледник Актру в горах Алтая. В Казахстане есть гляциологическая станция на леднике Туюк-Су, на Тянь-Шане, находится недалеко от города Алматы.
Недавно разработанная модель баланса ледника, 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, собираемых обычно на низковысотных метеостанциях, и распределения ледника по площади и высоте. [34] [35] Выходными данными являются ежедневное накопление снега (Bc) и абляция (Ba) для каждого интервала высот, которые преобразуются в баланс массы по формуле Bn = Bc – Ba. Накопление снега (Bc) рассчитывается для каждого интервала площадь-высота на основе наблюдаемых осадков на одной или нескольких низковысотных метеостанциях, расположенных в том же регионе, что и ледник, и трех коэффициентов, которые преобразуют осадки в накопление снега. Необходимо использовать установленные метеостанции, которые имеют длительные непрерывные записи, чтобы можно было определить годовые средние значения и другие статистические данные. Абляция (Ba) определяется по температуре, наблюдаемой на метеостанциях вблизи ледника. Максимальные и минимальные суточные температуры пересчитываются в таяние ледников с использованием двенадцати коэффициентов.
Пятнадцать независимых коэффициентов, которые используются для преобразования наблюдаемой температуры и осадков в абляцию и накопление снега, применяют процедуру оптимизации симплекса. Симплекс автоматически и одновременно вычисляет значения для каждого коэффициента, используя принципы Монте-Карло, которые опираются на случайную выборку для получения числовых результатов. Аналогично, модель PTAA выполняет повторные расчеты баланса массы, поминутно перенастраивая баланс для каждой итерации.
Модель PTAA была протестирована для восьми ледников 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 Гулкана на Аляске, Хинтерайсфернер, Кессельвандфернер и Вернагтфернер в Австрии. Она также была применена к леднику Лангтанг в Непале. Результаты этих тестов показаны на веб-сайте GMB (баланс массы ледника) по адресу ptaagmb.com. Линейные регрессии модели против ручных измерений баланса основаны на подходе с разделенной выборкой, так что рассчитанные балансы массы не зависят от температуры и осадков, используемых для расчета баланса массы.
Регрессия модели против измеренных годовых балансов дает значения R 2 от 0,50 до 0,60. Применение модели к леднику Беринга на Аляске продемонстрировало близкое согласие 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 таянием ледников в 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 в иерархическом подходе моделирования. [38] Уменьшение масштаба климата для оценки массы ледника с использованием модели PTAA применяется для определения баланса ледников Беринга и Хаббарда, а также проверено для Гулканы, эталонного ледника USGS. [39]