Под ледниками Антарктиды текут мощные реки

Рис. 1. Топография поверхности Антарктиды. Шкала слева — высота над уровнем моря (в футах). Район исследования отмечен красным прямоугольником. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Подо льдами Антарктиды в районе моря Уэдделла ученые впервые обнаружили несколько крупных постоянно действующих каналов, по которым талая вода поступает в океан. Самый большой из них имеет длину более 460 км. Это полноценная речная система со своими притоками, которая по протяженности и объемам переносимой воды превосходит Темзу. В статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience, авторы обсуждают механизмы появления мощных подледных потоков, а также риски, связанные с их нарастающей активностью. Исследователи считают, что субгляциальные реки, подмывающие ледники, ускоряют их сползание в сторону океана. В районе, где проводились работы, большая часть континентального основания располагается ниже уровня моря, и, если покрывающие его ледники отделятся от континента, это, по мнению ученых, может привести к катастрофическим последствиям мирового масштаба — уровень океана разом поднимется на несколько метров.

В целом масса ледников Антарктиды постепенно уменьшается в связи с глобальным потеплением. Однако, этот процесс неравномерный в разных частях ледяного континента. Кое-где мощность ледового покрова даже нарастает. Регулярные спутниковые измерения показывают, какие районы теряют лед, а какие накапливают, и в каком количестве. Для того, чтобы найти ответ на вопрос о причинах изменений, ученые строят модели, основанные на результатах геофизических наблюдений.

Одним из важнейших факторов изменения толщины ледников является скорость их движения. Чем она меньше, тем больше снега (переходящего в лед) накапливается в верхней части ледника и тем меньше объемы таяния в нижней. Гляциологические исследования в Альпах и Гренландии показали, что скорость движения ледников во многом зависит от наличия воды в их основании. С одной стороны, вода служит своего рода смазкой, а с другой — сама подтачивает ледник снизу.

Однако субгляциальная (подледная) гидрологическая обстановка в Альпах или Гренландии и Антарктиде существенно различается. В первом случае подледные реки питаются за счет поверхностных источников. Образующаяся в летние месяцы талая вода просачивается вниз по трещинам. Со временем водопады вымывают в леднике огромные вертикальные шахты, похожие на колодцы, — ледниковые мельницы, или мулены (см. Moulin). По их размеру можно судить о том, какие объемы воды поступают с поверхности в основание ледника (рис. 2).

Рис. 2. Слева — начальная стадия формирования ледового колодца. Справа — огромный мулен на леднике Сноубёрд (Snowbird Glacier) в горах Аляски. Фото с сайта en.wikipedia.org

В Антарктиде даже в самое теплое время года на поверхности отсутствует талая вода и мулены не образуются. Долгое время ученые считали, что субгляциальные потоки, которые возникают в основании ледника за счет трения и естественного тепла Земли, незначительны по своим масштабам. Однако результаты исследования, которое провели гляциологи из Великобритании, Канады и Малайзии, показали, что базального таяния достаточно, чтобы подо льдом возникли огромные речные системы.

Открытие было сделано благодаря совместному использованию в рамках одной модели результатов спутниковых альтиметрических (проект НАСА IceBridge) и радиолокационных съемок района моря Уэдделла, к востоку от Антарктического полуострова, где проходит условный раздел между Восточным и Западным ледяными щитами Антарктиды.

В Восточной Антарктиде ледяной щит лежит на приподнятом скальном основании, тогда как в Западной Антарктиде нижняя граница ледника находится существенно глубже — до 2500 м ниже уровня моря (рис. 1). Поэтому особенно важно понимать состояние ледников этого региона, так как их обрушение грозит катастрофическими последствиями. Только ледники побережья моря Уэдделла, имеющие общую площадь 960 тысяч км², в случае их сползания в океан могут, по подсчетам авторов, поднять уровень моря во всем мире на 4,3 м.

На скорость этого процесса сильно влияет подледная гидродинамика. Лед сам по себе способен течь со скоростью не более десяти-двадцати метров в год. Однако в районе моря Уэдделла некоторые ледники перемещаются ежегодно на сотни метров. Это значит, что льду помогают двигаться жидкие потоки в его основании.

Примерно двадцать лет назад ученые обнаружили в регионе подледные озера. Сначала думали, что они изолированы друг от друга. Позднее оказалось, что в основании ледового щита существуют целые гидрологические системы, а озера связаны между собой обширными «речными» сетями. Устье одной из таких рек обнаружили в море под шельфовым ледником Фильхнера. Теплая пресная вода, поступающая из субгляциальных каналов, не просто стекала в океан, а поднималась и скапливалась под плавучим ледником, продолжая подтачивать его снизу.

Стало ясно, что для корректного прогнозирования нужно рассматривать всю систему «ледяной щит — океан — подледная гидросистема» в комплексе. До этого же считали, что основное таяние происходит в краевой части шельфовых ледников, на границе с океанской водой, а роль подледных вод в Антарктиде незначительна. Теперь только в районе моря Уэдделла ученые обнаружили как минимум четыре крупных субгляциальных потока, действующих круглый год (рис. 3).

Рис. 3. a — топография основания ледового щита в исследуемом районе. Шкала справа — в метрах над уровнем моря. Голубым показана береговая линия ледников. Красным — условная граница между Восточным и Западным антарктическими ледяными щитами. b–d — подледные каналы: b — под ледником Support Force (SFG), c — под ледниками Foundation (FIS) и Academy (AG), d — под ледниками Institute (IIS) и Mӧller (MIS). Также указаны их основные характеристики: левая шкала — русловой сток по данным моделирования (в м³/с); правая шкала — скорость таяния основания ледника (в м/год); e–g — толщина водного слоя (в метрах). Красными точками показаны субгляциальные потоки. Черные линии — контуры подледных озер по результатам предыдущих исследований. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

По этим потокам переносятся огромные объемы пресной воды — до 24 м³/с, собираемой с дренажной системы на расстоянии до 100 км по обе стороны от основного русла. Самый большой поток, текущий под ледниками Foundation и Academy (FIS-AG), берет начало вблизи Южного полюса и заканчивается в 460 км ниже по течению в районе шельфового ледника Фильхнера. Средняя отметка его русла — 500 м ниже уровня моря, но основной объем воды он получает при прохождении через котловину Пенсакола-Поул, основание которой находится на 2,4 км ниже уровня моря.

Местоположение подледниковых каналов авторы определяли на основе данных радарной съемки по высокой отражательной способности, указывающей на присутствие воды. Все вычисления проводили с помощью модели гидрологических систем GlaDS (Glacier Drainage System), имитирующей водные потоки как в открытых полостях, так и в рассеянных областях инфильтрации. Эту же модель применяли ранее для оценки параметров подледных гидросистем Гренландии

Сравнив параметры подледного стока, скорости движения льда и темпы таяния основания, полученные в результате моделирования, ученые пришли к выводу, что для субгляциальных потоков района характерно высокое давление, достигающее 98% от давления перекрывающей толщи льда (рис. 4).

Рис. 4. Отношение давления воды в подледных потоках (P_w) к давлению перекрывающей толщи льда (P_i). Белыми точками отмечены русла потоков со стоком, превышающим 0,2 м³/с. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Это коренное отличие антарктической подледной гидросистемы от субгляциальных потоков Гренландии. В Гренландии каналы, действующие только в летнее время, то разрастаются, то сокращаются, ежегодно меняя конфигурацию и приспосабливаясь к изменяющимся гидрологическим условиям. При этом они функционируют под существенно более низким давлением (до 40% от давления толщи льда). Забирая воду из высоконапорной зоны истока, они уменьшают количество базальной смазки и, скорее, ограничивают скорость движения льда.

В Антарктиде субгляциальные потоки действуют под высоким давлением на всем своем протяжении от истока до устья и не просто обеспечивают постоянную круглогодичную смазку, но и увлекают за собой вышележащий лед. В этом причина высокой скорости движения ледников в Западной части ледяного континента. В районе шельфового ледника Фильхнера она достигает 500–600 м/год (рис. 5).

Рис. 5. Различия между субгляциальными гидросистемами Гренландии (a) и Антарктиды (b). В Гренландии непротяженные (около 40 км) подледные потоки низкого давления, функционирующие только летом, питаются за счет поверхностных озер с талой водой, которая попадает в основание ледника по вертикальным шахтам — муленам. В Антарктиде же действуют протяженные (около 400 км) не связанные с поверхностью круглогодичные потоки высокого давления, формирующиеся за счет таяния воды в основании ледника. Внизу — шкала давления: от низкого (синий) до высокого (красный). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Исследователи предполагают, что по мере роста летних температур в Антарктиде на поверхности ледников со временем там тоже могут начать образовываться озера талой воды. После этого темпы таяния антарктических ледников могут резко вырасти за счет возникновения петли положительной обратной связи: большее количество воды у основания будет способствовать увеличению скорости движения льда. При этом там, где ледник соприкасается со скальным основанием, вырастут темпы таяния, связанного с трением, что, в свою очередь, увеличит общий дебит подледных потоков.

Авторы отмечают, что их выводы относительно связи между темпами таяния и скоростью движения ледников носят предварительный характер, так как модель не учитывает такие важные параметры, как физические свойства пород основания и его топографию, и надеются восполнить этот пробел на следующем этапе исследования.

Источник: C. F. Dow, N. Ross, H. Jeofry, K. Siu, M. J. Siegert. Antarctic basal environment shaped by high-pressure flow through a subglacial river system // Nature Geoscience. 2022. DOI: 10.1038/s41561-022-01059-1.

Владислав Стрекопытов