याददाश्त वाली एक हिमचट्टान

अंटार्कटिका के चारों ओर बर्फ़ की चादर तट पर नहीं रुकती। वह तैरते मंचों के रूप में समुद्र के ऊपर बह निकलती है, जिन्हें हिमचट्टानें (ice shelves) कहते हैं, और जिन्हें महासागर नीचे से खाता रहता है। लेखकों के अनुसार, पतली होती हिमचट्टानें अपने पीछे की ज़मीन पर टिकी बर्फ़ को महासागर में तेज़ी से खिसकने दे सकती हैं, जिससे समुद्र-स्तर में वृद्धि बढ़ती है।

हिमचट्टान के नीचे की जगह, यानी उसकी गुहा (cavity), में क्या भरा है, इसी से सारा फ़र्क़ पड़ता है। कुछ गुहाओं में ठंडा पानी, लगभग −2 °C (खारा पानी 0 °C से नीचे जमता है), होता है, जो समुद्र की सतह पर हिमांक पर बनता है: उनकी बर्फ़ धीरे पिघलती है। दूसरों में खुले महासागर से बहकर आया गर्म गहरा पानी, लगभग 1 °C, घुस आता है: वहाँ पिघलाव तेज़ होता है। कोई गुहा ठंडी से गर्म और फिर वापस पलट सकती है या नहीं, इस पर बहस है: कुछ अध्ययनों ने ऐसे पलटावों को स्थायी पाया, दूसरों ने प्रतिवर्ती।

बर्फ़ के अग्र-भाग पर नमक का कारख़ाना

ठंडा पानी तटीय पॉलिन्या (coastal polynyas) से आता है: खुले समुद्र के वे विस्तार जो समुद्री बर्फ़ से मुक्त होते हैं, ठीक किसी हिमचट्टान के सामने। हवाएँ समुद्री बर्फ़ को तट से दूर धकेल देती हैं, खुला पानी जमा देने वाली हवा को ऊष्मा खो देता है, और वहाँ नई समुद्री बर्फ़ कहीं और की तुलना में तेज़ी से बनती है। जमता हुआ समुद्री पानी अपना नमक पीछे छोड़ देता है। सतह का पानी भारी हो जाता है और, अगर यह पर्याप्त तीव्र हो, तो डूबकर समुद्र-तल तक पानी को मथ देता है: यह गहरा संवहन (deep convection) गुहा में ठंडा पानी भेजता है।

250 किलोमीटर लंबे चैनल में एक मॉडल हिमचट्टान

लियोन और कैनबरा के लुई सादिए (Louis Saddier) और उनके सहयोगियों ने किसी असली हिमचट्टान का मॉडल नहीं बनाया। NEMO महासागर कोड के साथ उन्होंने एक आदर्शीकृत हिमचट्टान बनाई: 250 km लंबा और 50 km चौड़ा एक चैनल, 600 m गहरा एक समतल समुद्र-तल, सीधे ढलान वाले आधार वाली 100 km की हिमचट्टान, और दूर वाले सिरे पर निश्चित तापमान और लवणता पर रखा गया एक खुला महासागर। बर्फ़ के ठीक सामने समुद्र की सतह को नमक मिलता है, जो एक पॉलिन्या की नक़ल है। यह नमक-प्रवाह (salt flux) ही मुख्य घुंडी है।

सरलता से समय बचता है। एक गर्म गुहा से शुरू करके, टीम ने हर 10 वर्ष में नमक-प्रवाह को 0.005 ग्राम प्रति वर्ग मीटर प्रति सेकंड — लेखकों के रूपांतरण के अनुसार, साल भर में लगभग 5 मीटर नई समुद्री बर्फ़ द्वारा छोड़ा गया नमक — बढ़ाया, शून्य से 0.075 तक। एक ठंडी गुहा से शुरू करके, उन्होंने उसे इसी तरह घटाया। हर रास्ता 16 क़दम और 160 सिम्युलेटेड वर्ष का है। सबसे ऊँचा मान जान-बूझकर चरम रखा गया है: लेखकों द्वारा उद्धृत सबसे सक्रिय पॉलिन्या, केप डार्नली (Cape Darnley), लगभग 0.03 तक पहुँचता है (साल भर में कोई 30 मीटर समुद्री बर्फ़)।

वही पॉलिन्या, दो संभव महासागर

जब तट से दूर का गहरा पानी 0 °C या उससे ठंडा होता है, तो पिघलाव सहज रूप से बदलता है और ऊपर जाने का रास्ता नीचे आने के रास्ते से मेल खाता है। 1 °C या 2 °C पर, गुहा कुछ ही वर्षों में अचानक पलट जाती है, और दोनों रास्ते अब मेल नहीं खाते:

• 1 °C पर, गर्म गुहा तब ठंडी होती है जब नमक-प्रवाह लगभग 0.04 तक पहुँचता है। ठंडी गुहा फिर से गर्म तभी होती है जब प्रवाह गिरकर लगभग 0.02 रह जाए, यानी आधा।
• 2 °C पर, ठंडी अवस्था में पलटाव लगभग 0.06 तक इंतज़ार करता है, जबकि वापसी अब भी 0.02 के आसपास होती है। खिड़की, यानी नमक-प्रवाह की वह सीमा जिसमें दोनों में से कोई भी अवस्था टिक सकती है, चौड़ी हो जाती है।
• इनके बीच, वही पॉलिन्या दोनों में से कोई भी अवस्था बनाए रख सकता है, और गर्म अवस्था में औसत पिघलाव-दर कई गुना अधिक होती है। भौतिकविद इसे द्विस्थिरता (bistability) कहते हैं; यह तथ्य कि वापसी का रास्ता जाने के रास्ते से अलग है, शैथिल्य (hysteresis) कहलाता है।

पिघला पानी जो दरवाज़े पर ताला लगा देता है

महासागर याद क्यों रखता है? अपने ही पिघले पानी के ज़रिए। गर्म गुहा बहुत बर्फ़ पिघलाती है। हल्का, मीठा पिघला पानी सतह के पास फैल जाता है और पॉलिन्या के पानी को डूबने से रोकता है, इसलिए नमक बढ़ने पर भी गुहा गर्म बनी रहती है। ठंडी गुहा कम पिघलाती है, संवहन आसानी से होता है, और नमक घटने पर भी वह ठंडी बनी रहती है।

इस फ़ीडबैक को एक जाल की ज़रूरत है। मॉडल में, एक गायर (gyre), यानी धीरे-धीरे घूमती एक धारा, पिघले पानी को बर्फ़ के सामने थामे रखती है। चैनल की बग़ल की दीवारों को घर्षण-रहित बना दीजिए, और वह गायर एक अकेले बड़े गायर को जगह दे देता है जो पिघले पानी को खुले महासागर की ओर बहा ले जाता है: स्विच क्रमिक और पूरी तरह प्रतिवर्ती हो जाता है। तट से दूर अधिक तीव्र परतों वाला महासागर भी खिड़की को तब तक सिकोड़ता है जब तक वह ग़ायब न हो जाए। क्षैतिज श्यानता (horizontal viscosity) को, जो एक आंतरिक घर्षण है जिसे मॉडल बनाने वाले कम बाध्यताओं के साथ तय करते हैं, पाँच गुना बढ़ाने या घटाने से भी खिड़की संकरी हो जाती है। लेखकों के अनुसार, यह समझा सकता है कि पहले के अध्ययन असहमत क्यों थे।

पिघलाव पर नहीं, ताप-प्रवणता परत पर नज़र रखिए

इस स्विच का एक स्पष्ट सूचक है: ताप-प्रवणता परत (thermocline), यानी ऊपर की मथी हुई ठंडी परत और नीचे की गर्म परत के बीच की सीमा। गुहा ठीक तब ठंडी होती है जब मथी हुई परत समुद्र-तल तक पहुँचती है, और फिर से गर्म तब होती है जब ताप-प्रवणता परत उससे ऊपर उठ जाती है। ठंडी अवस्था में पलटने से पहले, ताप-प्रवणता परत की गहराई अधिकाधिक डगमगाती है; वापस गर्म अवस्था में पलटने से पहले, गर्म गहरा पानी अधिकाधिक बार भीतर सरक आता है। पिघलाव-दर ने स्वयं कोई उपयोगी चेतावनी नहीं दी।

पिघलाव दो नियमों का भी पालन करता है: गर्म अवस्था में, तट से दूर के पानी के स्थानीय हिमांक (−2.33 °C) से अधिक तापमान के मोटे तौर पर वर्ग के अनुपात में, और ठंडी अवस्था में सीधे समानुपात में। तट से दूर की स्थितियों से पिघलाव का अनुमान लगाने के लिए आम तौर पर इस्तेमाल होने वाले वर्ग-नियम सूत्र शायद हमेशा लागू न हों।

न हवा, न असली समुद्र-तल

चैनल समुद्र-तल की द्रोणियों, हवाओं, समुद्री बर्फ़ के साथ युग्मन, महाद्वीपीय शेल्फ़ के किनारे और पड़ोसी हिमचट्टानों के पिघले पानी को छोड़ देता है। लेखक बताते हैं कि पाइन आइलैंड (Pine Island), एमरी (Amery) और फ़िल्शनर (Filchner) जैसी असली हिमचट्टानों के अग्र-भाग के पास गायर हैं, जो उन्हें अपरिवर्तनीय पलटावों के प्रति अधिक संवेदनशील बना सकते हैं। मॉडल में, पूरे पलटाव के लिए दस-दस वर्ष के क़दम काफ़ी थे; असली गुहा को कितना समय लगेगा, यह अध्ययन खुला छोड़ता है।