記憶をもつ棚氷
南極の周りでは、氷床は海岸で止まらない。氷床は海の上へと流れ出して浮かぶ台地、つまり棚氷となり、海がそれを下から削っていく。著者たちによれば、棚氷が薄くなると、その背後で陸に接している氷がより速く海へ滑り出すことがあり、海面上昇に拍車をかける。
棚氷の下の空間、つまり空洞を何が満たしているかで、すべてが変わる。ある空洞は、海面で凝固点の温度でつくられた**−2 °C前後の冷たい水**（塩水は0 °Cより低い温度で凍る）を蓄えていて、その氷はゆっくり融ける。別の空洞には、外洋から流れ込む1 °C前後の暖かい深層水が侵入していて、そこでは融解が速い。空洞が冷たい状態から暖かい状態へ、そしてまた元へと切り替わりうるのかどうかは、議論が分かれている。そうした切り替わりは永続的だとした研究もあれば、可逆だとした研究もある。
氷の前面にある塩の工場
冷たい水は沿岸ポリニヤから生まれる。沿岸ポリニヤとは、棚氷のすぐ前にある、海氷のない開けた海域のことだ。風が海氷を沖へ押し流し、むき出しになった海水は凍てつく空気に熱を奪われ、そこではほかのどこよりも速く新しい海氷ができる。海水は凍るとき、塩分を後に残す。表層の水は重くなり、この過程が十分に強ければ沈み込んで、海底まで水をかき混ぜる。この深い対流が、冷たい水を空洞へ送り込む。
長さ250キロメートルの水路に置いたモデルの棚氷
リヨンとキャンベラのLouis Saddierらは、現実のどの棚氷もモデル化しなかった。彼らは海洋モデルNEMOを使って、理想化された棚氷をつくった。長さ250 km、幅50 kmの水路、深さ600 mの平らな海底、まっすぐ傾斜した底面をもつ長さ100 kmの棚氷、そして奥の端には、温度と塩分を一定に保った外洋がある。氷のすぐ前では、海面が塩分を受け取り、ポリニヤを模している。この塩分フラックスが主な調整つまみである。
単純さのおかげで時間を稼げる。チームは暖かい空洞から出発し、塩分フラックスを10年ごとに1平方メートルあたり毎秒0.005グラムずつ、0から0.075まで増やした。著者たちの換算によれば、0.005は1年におよそ5メートルの新しい海氷が残す塩分にあたる。冷たい空洞からは、同じやり方でフラックスを減らした。どちらの経路も16段階、シミュレーション上の160年にわたる。最大値は意図的に極端にしてある。著者たちが挙げる最も活発なポリニヤであるダーンレー岬でも、約0.03（1年に30メートルほどの海氷）である。
同じポリニヤに、2通りの海
沖の深層水が0 °C以下のときは、融解はなめらかに変化し、増やしていく経路と減らしていく経路は一致する。1 °Cや2 °Cのときは、空洞は数年のうちに急激に切り替わり、2つの経路はもはや一致しない。
- 1 °Cのとき、暖かい空洞は、塩分フラックスが約0.04に達すると冷たくなる。冷たい空洞が再び暖かくなるのは、フラックスがその半分の約0.02まで下がったときだけだ。
- 2 °Cのとき、冷たい状態への切り替わりは約0.06まで起こらないが、元に戻るのはやはり0.02付近である。窓、つまりどちらの状態も保たれうる塩分フラックスの範囲が広がるのだ。
- そのあいだでは、同じポリニヤが、どちらの状態もとりうる。平均の融解速度は、暖かい状態のほうが何倍も大きい。物理学者はこれを双安定性と呼び、戻り道が行き道と異なることをヒステリシスと呼ぶ。
扉に鍵をかける融解水
なぜ海は記憶をもつのか。それは自らの融解水のためだ。暖かい空洞は大量の氷を融かす。軽い淡水である融解水は海面付近に広がり、ポリニヤの水が沈み込むのを妨げる。そのため、塩分が増えても空洞は暖かいままである。冷たい空洞はほとんど氷を融かさないので、対流が起こりやすく、塩分が減っても冷たいままでいる。
このフィードバックには、閉じ込める仕組みが必要だ。モデルでは、環流、つまりゆっくり回転する海流が、融解水を氷の前に引き留めている。水路の側壁の摩擦をなくすと、その環流は1つの大きな環流に取って代わられ、融解水は外洋へ運び去られる。すると切り替わりは緩やかで、完全に可逆になる。沖の海の成層がより強い場合も、窓は縮んでやがて消える。モデル作成者がほとんど制約なしに設定する内部摩擦である水平粘性を5倍に上げたり5分の1に下げたりしても、窓は狭まる。著者たちによれば、これが以前の研究の結果が食い違っていた理由かもしれない。
見るべきは融解ではなく水温躍層
この切り替わりには、はっきりした目印がある。上のかき混ぜられた冷たい層と、下のより暖かい層との境界である水温躍層だ。かき混ぜられた層が海底に達したちょうどそのときに空洞は冷たくなり、水温躍層が海底から離れると再び暖かくなる。冷たい状態への切り替わりの前には、水温躍層の深さの揺れがしだいに大きくなる。暖かい状態に戻る前には、暖かい深層水が入り込む頻度がしだいに高まる。融解速度そのものは、役に立つ前兆を何も示さなかった。
融解は2つの法則にさえ従う。暖かい状態では、沖の水温がその場の凝固点（−2.33 °C）を上回る分のおよそ2乗に比例し、冷たい状態では単純に比例する。沖の条件から融解を見積もるのによく使われる2乗則の式は、いつでも当てはまるとは限らないかもしれない。
風もなく、本物の海底もない
この水路には、海底の谷、風、海氷との結合、大陸棚の縁、そして近隣の棚氷からの融解水が含まれていない。著者たちは、パインアイランド棚氷、アメリー棚氷、フィルヒナー棚氷といった現実の棚氷では前面付近に環流があり、そのため不可逆な切り替わりを起こしやすいかもしれないと指摘している。モデルでは10年ごとの段階で切り替わりが完了するのに十分だったが、現実の空洞ではどれだけ時間がかかるのかについて、この研究は答えを出していない。