ШЕЛЬФОВЫЙ ЛЕДНИК С ПАМЯТЬЮ

Вокруг Антарктиды ледяной щит не заканчивается у берега. Он вытекает на море плавучими платформами — шельфовыми ледниками, которые океан подъедает снизу. По словам авторов, истончившиеся шельфовые ледники могут позволить лежащему на грунте льду позади них быстрее сползать в океан, что усиливает подъём уровня моря.

Всё решает то, что заполняет пространство под шельфовым ледником, — его полость. В одних полостях находится холодная вода, около −2 °C (солёная вода замерзает ниже 0 °C), образовавшаяся у поверхности моря при температуре замерзания: лёд там тает медленно. В другие вторгается тёплая глубинная вода, около 1 °C, поступающая из открытого океана: там таяние быстрое. Может ли полость переключиться с холодной на тёплую и обратно — вопрос спорный: в одних исследованиях такие переключения оказывались постоянными, в других — обратимыми.

Фабрика соли у фронта ледника

Холодная вода приходит из прибрежных полыней: участков открытого моря, свободных от морского льда, прямо перед шельфовым ледником. Ветры отгоняют морской лёд от берега, открытая вода отдаёт тепло морозному воздуху, и новый морской лёд образуется здесь быстрее, чем где-либо ещё. Замерзая, морская вода оставляет соль. Поверхностная вода тяжелеет и, если процесс достаточно интенсивен, опускается и перемешивает воду до самого дна: эта глубокая конвекция отправляет холодную воду в полость.

Модельный шельфовый ледник в 250-километровом канале

Луи Саддье (Louis Saddier) и его коллеги из Лиона и Канберры не моделировали какой-либо реальный шельфовый ледник. С помощью океанического кода NEMO они построили идеализированный: канал длиной 250 км и шириной 50 км, плоское дно на глубине 600 м, шельфовый ледник длиной 100 км с прямым наклонным основанием и, на дальнем конце, открытый океан с фиксированными температурой и солёностью. Прямо перед льдом поверхность моря получает соль, имитируя полынью. Этот поток соли — главная ручка настройки.

Простота экономит время. Начиная с тёплой полости, команда повышала поток соли на 0,005 грамма на квадратный метр в секунду — по пересчёту авторов, это соль, остающаяся примерно от 5 метров нового морского льда в год, — каждые 10 лет, от нуля до 0,075. Начиная с холодной полости, исследователи так же его снижали. Каждый путь включает 16 шагов и 160 смоделированных лет. Максимальное значение намеренно экстремально: самая активная полынья из приводимых авторами, у мыса Дарнли (Cape Darnley), достигает около 0,03 (порядка 30 метров морского льда в год).

Одна полынья, два возможных океана

Когда глубинная вода в открытом море имеет температуру 0 °C или ниже, таяние меняется плавно, и путь вверх совпадает с путём вниз. При 1 °C или 2 °C полость переключается резко, за несколько лет, и два пути больше не совпадают:

При 1 °C тёплая полость становится холодной, как только поток соли достигает примерно 0,04. Холодная полость снова становится тёплой, лишь когда поток падает примерно до 0,02 — вдвое меньше.
При 2 °C переход к холоду наступает лишь около 0,06, тогда как обратный путь по-прежнему происходит около 0,02. Окно — диапазон потока соли, в котором может держаться любое из двух состояний, — расширяется.
В промежутке одна и та же полынья может удерживать любое из двух состояний, причём средняя скорость таяния в тёплом в несколько раз выше. Физики называют это бистабильностью; то, что обратный путь отличается от прямого, — гистерезисом.

Талая вода, которая запирает дверь

Почему океан помнит? Благодаря собственной талой воде. Тёплая полость растапливает много льда. Лёгкая пресная талая вода растекается у поверхности и не даёт воде полыньи опускаться, поэтому полость остаётся тёплой, даже когда соли становится больше. Холодная полость тает мало, конвекция идёт легко, и полость остаётся холодной, даже когда соли становится меньше.

Этой обратной связи нужна ловушка. В модели круговорот (gyre) — медленно вращающееся течение — удерживает талую воду перед льдом. Сделайте боковые стенки канала лишёнными трения, и этот круговорот уступит место одному большому, который уносит талую воду в открытый океан: переключение становится постепенным и полностью обратимым. Более сильная стратификация океана в открытом море тоже сужает окно, пока оно не исчезнет. Увеличение или уменьшение горизонтальной вязкости в пять раз — внутреннего трения, которое разработчики моделей задают при слабых ограничениях, — тоже сужает окно. По мнению авторов, это может объяснить, почему прежние исследования расходились.

Следите за термоклином, а не за таянием

У переключения есть чёткий маркер: термоклин, граница между перемешанным холодным слоем сверху и более тёплым слоем снизу. Полость становится холодной ровно тогда, когда перемешанный слой достигает дна, и снова тёплой, когда термоклин от него отрывается. Перед переключением на холод глубина термоклина колеблется всё сильнее; перед обратным переключением на тепло тёплая глубинная вода проникает всё чаще. Сама скорость таяния полезного предупреждения не давала.

Таяние даже подчиняется двум законам: в тёплом состоянии оно растёт примерно как квадрат превышения температуры воды открытого моря над местной точкой замерзания (−2,33 °C), в холодном — в простой пропорции к нему. Квадратичные формулы, которыми обычно оценивают таяние по условиям в открытом море, возможно, применимы не всегда.

Ни ветра, ни настоящего дна

Канал не включает подводные желоба, ветры, взаимодействие с морским льдом, край континентального шельфа и талую воду от соседних шельфовых ледников. Авторы отмечают, что у настоящих шельфовых ледников, таких как Пайн-Айленд, Эймери и Фильхнера, вблизи фронтов есть круговороты, что может делать их более склонными к необратимым переключениям. В модели десятилетних шагов было достаточно для полного переключения; сколько времени потребовалось бы реальной полости, исследование оставляет открытым.