В последние годы ученые добились значительного прогресса в понимании и моделировании пограничной зоны льда.
Авторы: Джордан Питер Энтони Питт (Jordan Peter Anthony Pitt) и Люк Беннетс (Luke Bennetts) из Университет Аделаиды
(arctictoday.com) - Пограничная зона льда – это один из самых суровых и динамичных регионов Земли. Здесь океанские воды встречаются с морским льдом, который образуется при замерзании поверхности океана.
В недавно опубликованном тематическом выпуске журнала Philosophical Transactions of the Royal Society A представлены успехи, достигнутые учеными за последнее десятилетие в понимании и моделировании этой сложной среды.
Исследование пограничной зоны важно, потому что позволяет лучше понять сложное взаимодействие климатических систем Земли. Пограничная зона льда учувствует в сезонном замерзании и таянии океанов.
Суровое место для исследований
В Арктике и Антарктике температура поверхности океана постоянно ниже минус 2 градусов. Достаточно низко, чтобы замерзнуть и образовать слой морского льда.
На самых высоких широтах, ближе к полюсам, морской лед образует прочный, толщиной в несколько метров, панцирь. Он отражает солнечные лучи, тем самым охлаждая данный район и заставляя воду циркулировать по другим океанам. Это делает морской лед ключевым компонентом климатической системы.
Но в более низких широтах, где покрытый льдом океан переходит в открытый океан, морской лед превращается в более мелкие, гораздо более подвижные фрагменты, называемые «плавучими льдинами». Они разделены водой или взвесью кристаллов льда.
Пограничная зона льда совершенно иначе взаимодействует с атмосферой сверху и океаном снизу, чем лед ближе к полюсам.
Это суровая среда для работы ученых: в 2017 году во время экспедиции в пограничную зону льда вокруг Антарктиды скорость ветра превышала 90 км/ч, а высота волн - 6,5 м.
За плавучими льдинами трудно наблюдать даже из космоса, потому что они меньше, чем объекты, которые распознают большинство спутников.
Раздавлен волнами
С помощью поверхностных волн пограничная зона льда взаимодействует с открытым океаном. Они распространяются из открытых вод в пограничную зону, воздействуя на лед. Волны могут разрушать его, разбивать большие плавучие льдины, которые летом быстрее растают.
Напротив, зимой волны могут способствовать образованию льдин в виде «блинов». Они названы так потому, что представляют собой тонкие диски морского льда.
Когда волны накатывают на льдины, они теряют свою энергию, так что постепенно они становятся слабее по мере продвижения вглубь пограничной зоны льда. Таким образом создаются механизмы обратной связи между волной и льдом, которые определяют эволюцию морского льда в условиях меняющегося климата.
Например, растущая температура ослабит ледяной покров, позволит волнам глубже проникать в покрытые льдом океаны и вызывать большее разрушение. Это еще больше ослабит ледяной покров — и так далее.
Ученые, изучающие динамику пограничной зоны льда, стремятся лучше понять роль этой зоны в драматических и часто вызывающих недоумение изменениях, которые мировой морской лед претерпевает в ответ на изменение климата.
Например, в Северном Ледовитом океане ледяной покров «упал примерно вдвое с 1980-х годов». В Антарктике площадь морского льда была сначала самой большой, а теперь самой маленькой из ее зафиксированных размеров. При этом пограничная зона льда является одним из компонентов сезонной изменчивости.
Подробное изучении этих суровых регионов связано с крупными международными исследовательскими программами, проводимыми Управлением по морским исследованиям США (Office of Naval Research) и другими организациями. В этих программах участвуют геологи, геофизики, океанографы, инженеры и даже прикладные математики (такие как мы).
Недавно были разработаны инновационные методы наблюдения, такие как метод трехмерного изображения волн и динамики образования плавучих льдин в пограничной зоне льда по данным с борта ледокола и полученным со спутников снимкам волн, накатывающих на лед.
Также ученые создали новые модели, которые имитируют взаимодействие волн и льда, от уровня отдельных плавучих льдин до поведения целых океанов. Достигнутые результаты позволят провести многомесячный эксперимент в пограничной зоне льда Антарктики. Эксперимент пройдет в следующем году под эгидой Австралии на новом ледоколе RSV Nuyina стоимостью $500 млн.
В будущем пограничная зона льда будет играть все более важную роль по мере повышения температуры и усиления волн.
Несмотря на хорошие результаты, предстоит пройти еще некоторый путь, прежде чем понимание процессов обратной связи в пограничной зоне льда приведет к улучшению климатических прогнозов. Они используются, например, Международной группой экспертов по подготовке докладов с оценкой изменений климата (International Panel on Climate Change Assessment Reports).
Один из исследователей пограничной зоны назвал ее включение в климатические модели «Святым Граалем». Следующее основное направление в изучении пограничной зоны - выявление более тесных связей с другими климатическими явлениями.
Джордан Питер Энтони Питт — научный сотрудник Университета Аделаиды, а Люк Беннетс — преподаватель прикладной математики в Университете Аделаиды.
