Войти
Обзор криосферы и ее более крупных компонентов из Глобальный обзор льда и снега Программы ООН по окружающей среде.криосфера (от греческого κρύος kryos, «холод», «мороз» или «лед», и σφαῖρα sphaira, «земной шар»)., шар ") является всеобъемлющим термином для тех частей поверхности Земли, где вода находится в твердой форме, включая морской лед, озерный лед, река лед, снежный покров покров, ледники, ледяные шапки, ледяные щиты, и мерзлый грунт (который включает вечную мерзлоту ). Таким образом, имеется широкое перекрытие с гидросферой. Криосфера является неотъемлемой частью глобальной климатической системы с важными связями и обратными связями, возникающими в результате ее влияния на поверхностные потоки энергии и влаги, облака, осадки, гидрология, атмосферная и океаническая циркуляция. Благодаря этим процессам обратной связи криосфера играет важную роль в глобальном климате и в климатической модели реакции на глобальные изменения. Термин дегляциация описывает отступление криосферных объектов. Криология - это исследование криосфер.
Объем регионов, затронутых компонентами криосферы по всему миру из Пятого оценочного отчета МГЭИК Замерзшая вода встречается на поверхности Земли в основном как снежный покров, пресноводный лед в озерах и реки, морской лед, ледники, ледяные щиты, а также мерзлый грунт и вечная мерзлота (навсегда замерзшая земля). Время пребывания воды в каждой из этих криосферных подсистем широко варьируется. Снежный покров и пресноводный лед в основном сезонные, и большая часть морского льда, за исключением льда в центральной Арктике, держится всего несколько лет, если это не сезонно. Однако данная частица воды в ледниках, ледяных покровах или грунтовых льдах может оставаться замороженной в течение 10–100 000 лет или дольше, а глубокий лед в некоторых частях Восточной Антарктиды может иметь возраст около 1 миллиона лет.
Большая часть мирового объема льда находится в Антарктиде, в основном в Восточно-антарктическом ледяном щите. С точки зрения площади, однако, Северное полушарие зимние снежные и ледяные покровы составляют самую большую площадь, составляющую в среднем 23% площади поверхности полушария в январе. Большая площадь и важная климатическая роль снега и льда, связанная с их уникальными физическими свойствами, указывают на то, что способность наблюдать и моделировать протяженность и толщину снежного и ледяного покрова, и физические свойства (радиационные и тепловые свойства) имеют особое значение для климатических исследований.
Существует несколько фундаментальных физических свойств снега и льда, которые модулируют обмен энергией между поверхностью и Атмосфера. Наиболее важными свойствами являются коэффициент отражения поверхности (альбедо ), способность передавать тепло (температуропроводность) и способность изменять состояние (скрытая теплота ). Эти физические свойства, вместе с шероховатостью поверхности, излучательной способностью и диэлектрическими характеристиками, имеют важное значение для наблюдения снега и льда из космоса. Например, шероховатость поверхности часто является доминирующим фактором, определяющим силу радара обратного рассеяния. Физические свойства, такие как кристалл структура, плотность, длина и содержание жидкой воды, являются важными факторами, влияющими на передачу тепла и воды и рассеяние микроволновой энергии.
Поверхностная отражательная способность входящего солнечного излучения важна для баланса поверхностной энергии (SEB). Это отношение отраженной солнечной радиации к падающей, обычно обозначаемое как альбедо. Климатологов в первую очередь интересует альбедо, интегрированное по коротковолновой части электромагнитного спектра (от ~ 300 до 3500 нм), что совпадает с основной ввод солнечной энергии. Как правило, значения альбедо для не тающих покрытых снегом поверхностей высокие (~ 80–90%), за исключением лесов. Более высокие альбедо для снега и льда вызывают быстрые сдвиги в отражательной способности поверхности осенью и весной в высоких широтах, но общее климатическое значение этого увеличения пространственно и временно модулируется облачный покров. (Планетарное альбедо определяется в основном облачным покровом и небольшим количеством общего солнечного излучения, получаемого в высоких широтах в течение зимних месяцев..) Лето и осень - это время высокой средней облачности над Северным Ледовитым океаном, поэтому альбедо обратная связь связана с большими сезонными изменениями в море- Размер льда значительно уменьшен. Groisman et al. наблюдал, что снежный покров оказывает наибольшее влияние на Земли радиационный баланс в весенний (с апреля по май) период, когда приходящая солнечная радиация была наибольшей над заснеженными
тепловые свойства криосферных элементов также имеют важные климатические последствия. Снег и лед имеют гораздо меньшую термическую диффузионную способность, чем воздух. Температуропроводность - это мера скорости, с которой температурные волны могут проникать в вещество. Снег и лед на много порядков менее эффективны при рассеивании тепла, чем воздух. Снежный покров изолирует поверхность земли, а морской лед изолирует нижележащий океан, разъединяя границу раздела поверхность-атмосфера в отношении потоков тепла и влаги. Поток влаги с водной поверхности устраняется даже тонкой коркой льда, тогда как поток тепла через тонкий лед остается значительным, пока он не достигнет толщины более 30-40 см. Однако даже небольшое количество снега на поверхности льда резко снизит тепловой поток и замедлит скорость роста льда. Изолирующий эффект снега также имеет большое значение для гидрологического цикла. В регионах без вечной мерзлоты изолирующий эффект снега таков, что промерзает только приповерхностный грунт, а глубоководный дренаж не прерывается.
В то время как снег и лед действуют, чтобы изолировать поверхность от больших потерь энергии зимой, они также действуют, чтобы замедлить нагревание весной и летом из-за большого количества энергии, необходимой для таяния льда (скрытая теплота плавления, 3,34 x 10 Дж / кг при 0 ° C). Однако сильная статическая стабильность атмосферы над участками обширного снега или льда имеет тенденцию ограничивать немедленный охлаждающий эффект относительно неглубоким слоем, так что связанные с этим атмосферные аномалии обычно кратковременны и являются локальными или региональными. масштаб. Однако в некоторых регионах мира, таких как Евразия, похолодание, связанное с сильным снежным покровом и влажными весенними почвами, как известно, играет роль в модуляции циркуляции летних муссонов. Gutzler и Preston (1997) недавно представили доказательства аналогичной снежно-летней циркуляции обратной связи над юго-западом Соединенных Штатов.
Роль снежного покрова в модулировании муссонов заключается в следующем. всего лишь один пример краткосрочной обратной связи криосфера-климат с участием поверхности суши и атмосферы. Из рисунка 1 видно, что в системе глобального климата существует множество обратных связей между криосферой и климатом. Они действуют в широком диапазоне пространственных и временных масштабов от местного сезонного похолодания температуры воздуха до изменений ледяных щитов в масштабе полушария в масштабах времени в тысячи лет. Используемые механизмы обратной связи часто сложны и не до конца понятны. Например, Curry et al. (1995) показали, что так называемая «простая» обратная связь между морским льдом и альбедо включает сложные взаимодействия с фракцией свинца, талыми прудами, толщиной льда, снежным покровом и протяженностью морского льда.
Снежный покров занимает второе место по площади среди всех компонентов криосферы со средней максимальной площадью около 47 миллионов км. Большая часть покрытой снегом области Земли (SCA) расположена в северном полушарии, и временная изменчивость определяется сезонным циклом; Северное полушарие протяженность снежного покрова колеблется от 46,5 млн км в январе до 3,8 млн км в августе. Североамериканский зимний SCA демонстрирует тенденцию к увеличению на протяжении большей части этого столетия в основном в ответ на увеличение количества осадков. Однако имеющиеся спутниковые данные показывают, что зимний снежный покров в полушарии в период 1972–1996 гг. Демонстрировал небольшую межгодовую изменчивость с коэффициентом вариации (COV = sd / mean) для января Северного полушария. снежный покров покров < 0.04. According to Groisman et al.северного полушария весенний снежный покров должен иметь тенденцию к уменьшению, чтобы объяснить наблюдаемое повышение северного полушария весеннее температуры воздуха этот век. Предварительные оценки SCA на основе исторических и реконструированных in situ данных о снежном покрове предполагают, что это относится к Евразии, но не к Северной Америке, где весенний снежный покров оставалась близкой к текущим уровням на протяжении большей части этого столетия. Из-за тесной связи, наблюдаемой между температурой воздуха в полушарии и протяженностью снежного покрова за период спутниковых данных (IPCC 1996), существует значительный интерес к мониторингу северного полушария площади снежного покрова. для обнаружения и мониторинга изменения климата.
Снежный покров является чрезвычайно важным компонентом накопления в водном балансе, особенно сезонные снежные покровы в горных районах мира. Несмотря на ограниченную протяженность, сезонные снежные покровы в горных хребтах Земли составляют основной источник стока для речного стока и подпитки подземных вод на обширных территориях средние широты. Например, более 85% годового стока из бассейна реки Колорадо образуется в результате таяния снегов. Таяние снега сток с гор Земли заполняет реки и подпитывает водоносные горизонты, от которых зависят водные ресурсы более миллиарда человек. Более того, более 40% охраняемых территорий мира находятся в горах, что свидетельствует об их ценности как уникальных экосистем, нуждающихся в защите, так и в качестве зон отдыха для людей. Ожидается, что потепление климата приведет к серьезным изменениям в распределении снега и дождя, а также в сроках таяния снега, что будет иметь важные последствия для использования водных ресурсов и управления ими. Эти изменения также включают потенциально важные десятилетние и более долгосрочные обратные связи с климатической системой через временные и пространственные изменения влажности почвы и стока в океаны. ( Уолш 1995). Потоки пресной воды из снежного покрова в морскую среду могут иметь большое значение, поскольку общий поток, вероятно, имеет ту же величину, что и опресненные гряды и обломки морского льда. Кроме того, существует связанный импульс осажденных загрязнителей, которые накапливаются за арктическую зиму в виде снегопада и выбрасываются в океан при абляции морского льда.
морского льда. Лед покрывает большую часть полярных океанов и образуется при замерзании морской воды. Спутниковые данные с начала 1970-х годов показывают значительную сезонную, региональную и межгодовую изменчивость морского льда обоих полушарий. В зависимости от сезона протяженность морского льда в Южном полушарии изменяется в 5 раз, от минимум 3–4 млн км в феврале до максимума 17–20 млн км в сентябре. Сезонные колебания намного меньше в Северном полушарии, где ограниченная природа и высокие широты Северного Ледовитого океана приводят к гораздо большему многолетнему ледяному покрову, а окружающая суша ограничивает экваториальную протяженность зимнего льда. Таким образом, сезонная изменчивость ледяного покрова Северного полушария изменяется всего в два раза, от минимума 7–9 миллионов км в сентябре до максимума 14–16 миллионов км в марте.
Ледяной покров демонстрирует гораздо большую межгодовую изменчивость в региональном масштабе, чем полусферический. Например, в районе Охотского моря и Японии максимальная протяженность льда снизилась с 1,3 млн км в 1983 г. до 0,85 млн км в 1984 г., т.е. на 35% меньше, чем раньше. отскок в следующем году до 1,2 млн км. Региональные колебания в обоих полушариях таковы, что за любой период в несколько лет записи спутника в некоторых регионах наблюдается уменьшение ледяного покрова, а в других - увеличение ледяного покрова. Общая тенденция, указанная в пассивных микроволновых записях с 1978 по середину 1995 года, показывает, что протяженность арктического морского льда уменьшается на 2,7% за десятилетие. Последующая работа со спутниковыми данными пассивного микроволнового излучения показывает, что с конца октября 1978 г. по конец 1996 г. протяженность арктического морского льда уменьшалась на 2,9% за десятилетие, в то время как протяженность Антарктический морской лед увеличивался на 1,3% за десятилетие. В публикации Межправительственной группы экспертов по изменению климата Climate change 2013: The Physical Science Basis говорится, что протяженность морского льда в Северном полушарии с ноября 1978 по декабрь 2012 года уменьшалась на 3,8% ± 0,3% за десятилетие.
лед образуется на реках и озерах в результате сезонного похолодания. Размеры задействованных ледяных тел слишком малы, чтобы оказывать что-либо, кроме локальных климатических воздействий. Однако процессы ледостава / вскрытия льда реагируют на крупномасштабные и местные погодные факторы, так что существует значительная межгодовая изменчивость дат появления и исчезновения льда. Длинные серии наблюдений за озерным льдом могут служить косвенными данными о климате, а мониторинг тенденций ледостава и вскрытия льда может обеспечить удобный интегрированный и привязанный к сезону индекс климатических возмущений. Информация о ледовых условиях в реке менее полезна в качестве климатического косвенного показателя, поскольку образование льда в значительной степени зависит от режима речного стока, на который влияют осадки, таяние снега и водосборный сток, а также влияние человека, которое напрямую влияет на сток в русле., или это косвенно влияет на сток через методы землепользования.
Замерзание озера зависит от накопления тепла в озере и, следовательно, от его глубины, скорости и температуры любого притока, а также потоков энергии вода-воздух. Информация о глубине озер часто недоступна, хотя некоторые сведения о глубине мелких озер в Арктике можно получить с помощью аэроснимков радаров в конце зимы (Sellman et al. 1975) и космические оптические изображения летом (Duguay and Lafleur 1997). Время вскрытия зависит от высоты снежного покрова на льду, а также от толщины льда и притока пресной воды.
Мерзлый грунт (вечная мерзлота и сезонно мерзлый грунт) занимает примерно 54 миллиона км открытых участков суши в Северном полушарии (Zhang et al., 2003) и, следовательно, имеет самая большая площадь любого компонента криосферы. Вечная мерзлота (многолетняя мерзлота) может возникать там, где среднегодовая температура воздуха (MAAT) меньше -1 или -2 ° C, и обычно постоянна, когда MAAT меньше -7 ° C. Кроме того, на его протяженность и толщину влияет содержание влаги в почве, растительный покров, высота снежного покрова зимой и внешний вид. Глобальные масштабы вечной мерзлоты до сих пор полностью не известны, но они лежат в основе примерно 20% северного полушария суши. Мощность превышает 600 м вдоль арктического побережья северо-востока Сибири и Аляски, но ближе к окраинам вечная мерзлота становится более тонкой и прерывистой по горизонтали. Краевые зоны будут более подвержены таянию, вызванному тенденцией к потеплению. Большая часть существующей в настоящее время вечной мерзлоты образовалась во время предыдущих более холодных условий и, следовательно, является реликтовой. Однако вечная мерзлота может образовываться в современном полярном климате, когда ледники отступают или выход на сушу обнажает незамерзшую землю. Washburn (1973) пришел к выводу, что наиболее сплошная вечная мерзлота находится в равновесии с нынешним климатом на своей верхней поверхности, но изменения в основании зависят от нынешнего климата и геотермального теплового потока; напротив, наиболее прерывистая вечная мерзлота, вероятно, нестабильна или «находится в таком хрупком равновесии, что малейшее изменение климата или поверхности вызовет резкое нарушение равновесия».
В условиях потепления увеличение глубины летнего активного слоя оказывает существенное влияние на гидрологический и геоморфный режимы. Сообщалось о таянии и отступлении вечной мерзлоты в верхней части Mackenzie Valley и вдоль южной окраины ее залегания в Манитоба, но такие наблюдения не могут быть легко определены количественно и обобщенный. Основываясь на средних широтных градиентах температуры воздуха, можно ожидать среднего смещения границы южной вечной мерзлоты на север на 50–150 км в условиях равновесия при потеплении на 1 ° C.
Только часть зоны вечной мерзлоты состоит из настоящего грунтового льда. Остальное (сухая вечная мерзлота) - это просто почва или скала при минусовых температурах. Объем льда, как правило, наибольший в самых верхних слоях вечной мерзлоты и в основном состоит из пор и сегрегированного льда в материале Земля. Измерения скважинных температур в вечной мерзлоте могут использоваться как индикаторы чистых изменений температурного режима. Голд и Лахенбрух (1973) предполагают потепление на 2–4 ° C за 75–100 лет на мысе Томпсон, Аляска, где верхние 25% 400-метровой толщи вечная мерзлота нестабильна по отношению к равновесному профилю температуры с глубиной (для нынешней средней годовой температуры поверхности –5 ° C). Однако морское влияние могло исказить эту оценку. На Прудхо-Бэй аналогичные данные предполагают потепление на 1,8 ° C за последние 100 лет (Lachenbruch et al. 1982). Дальнейшие осложнения могут быть вызваны изменениями глубины снежного покрова и естественным или искусственным нарушением поверхностной растительности.
Потенциальные темпы таяния вечной мерзлоты были установлены Osterkamp (1984) и составляют два столетия или меньше для вечной мерзлоты толщиной 25 метров в прерывистой зоне внутренних районов Аляски, предполагая потепление от От –0,4 до 0 ° C через 3–4 года с последующим повышением на 2,6 ° C. Хотя реакция вечной мерзлоты (глубины) на изменение температуры, как правило, является очень медленным (Osterkamp 1984; Koster 1993), имеется достаточно доказательств того, что толщина активного слоя быстро реагирует на изменение температуры ( Кейн и др., 1991). Вне зависимости от того, окажет ли глобальное изменение климата существенное влияние на продолжительность безморозных периодов в обоих регионах с сезонным и многолетним мерзлым грунтом, в случае сценария потепления или похолодания, глобальное изменение климата.
Ледниковые щиты и ледники - это текучие ледяные массы, покоящиеся на твердой земле. Они контролируются накоплением снега, поверхностным и базальным таянием, отколом в окружающие океаны или озера и внутренней динамикой. Последнее является результатом ползучести под действием силы тяжести («ледниковый поток ») внутри ледяного тела и скольжения по подстилающей суше, что приводит к истончению и горизонтальному растеканию. Любой дисбаланс этого динамического равновесия между набором, потерей и переносом массы из-за потока приводит либо к росту, либо к сокращению ледяных тел.
Ледяные щиты - это самый большой потенциальный источник пресной воды в мире, на долю которого приходится примерно 77% мирового объема. Это соответствует 80 м мирового эквивалента уровня моря, 90% которого приходится на Антарктиду. Гренландия составляет большую часть оставшихся 10%, а на другие ледяные тела и ледники приходится менее 0,5%. Из-за их размера по отношению к годовым темпам накопления и таяния снега время пребывания воды в ледяных покровах может достигать 100 000 или 1 миллиона лет. Следовательно, любые климатические возмущения вызывают медленную реакцию, происходящую в ледниковые и межледниковые периоды. Ледники долин быстро реагируют на климатические колебания, время реакции обычно составляет 10–50 лет. Однако реакция отдельных ледников может быть асинхронной с одним и тем же климатическим воздействием из-за различий в длине ледника, высоте, уклоне и скорости движения. Орлеманс (1994) представил доказательства последовательного глобального отступления ледников, которое можно объяснить линейным трендом потепления на 0,66 ° C за 100 лет.
В то время как колебания ледников, вероятно, будут иметь минимальное влияние на глобальный климат, их рецессия могла способствовать от одной трети до половины наблюдаемого повышения уровня моря в 20 веке (Meier 1984; IPCC 1996). Более того, весьма вероятно, что такое обширное отступление ледников, которое в настоящее время наблюдается в Западных Кордильерах Северной Америки, где сток из ледниковых бассейнов используется для орошения и гидроэнергетики, требует значительных гидрологических и экосистема воздействия. Эффективное планирование водных ресурсов и смягчение последствий в таких районах зависит от развития сложных знаний о состоянии ледникового льда и механизмах, которые вызывают его изменение. Более того, четкое понимание действующих механизмов имеет решающее значение для интерпретации сигналов глобальных изменений, содержащихся во временных рядах записей баланса массы ледников.
Объединенный баланс массы ледников оценки больших ледниковых щитов несут погрешность около 20%. Исследования, основанные на оценках снегопадов и массового производства, как правило, указывают на то, что ледяные щиты почти сбалансированы или забирают немного воды из океанов. Морские исследования предполагают повышение уровня моря из-за антарктического таяния или быстрого базального таяния шельфового ледника. Некоторые авторы (Paterson 1993; Alley 1997) предположили, что разница между наблюдаемой скоростью повышения уровня моря (примерно 2 мм / год) и объясненной скоростью повышения уровня моря в результате таяния горных ледников, теплового расширения океана и т. д. (примерно 1 мм / год или меньше) аналогично смоделированному дисбалансу в Антарктике (примерно 1 мм / год повышения уровня моря; Huybrechts 1990), что предполагает вклад уровня моря поднимаются из Антарктики.
Связь между глобальным климатом и изменениями ледяного покрова сложна. Баланс массы наземных ледников и ледяных щитов определяется накоплением снега, в основном зимой, и теплым сезоном абляцией, в основном из-за чистой радиации и турбулентных потоков тепла к таянию льда и снега из теплых - адвекция воздуха (Манро, 1990). Однако большая часть территории Антарктиды никогда не испытывает таяния поверхности. Там, где ледяные массы оканчиваются в океане, основной вклад в потерю массы составляет отел айсберга . В этой ситуации край льда может простираться на большую глубину в виде плавающего шельфового ледника, например, в море Росса. Несмотря на возможность того, что глобальное потепление может привести к ущербу для ледникового покрова Гренландии, который будет компенсирован приростом антарктического ледяного покрова, существует серьезная обеспокоенность по поводу возможности западного Антарктический ледяной щит коллапс. Западно-Антарктический ледяной щит основан на коренных породах ниже уровня моря, и его обрушение может привести к повышению уровня мирового моря на 6–7 м в течение нескольких сотен лет.
Большая часть разгрузки Западно-Антарктического ледяного щита происходит через пять основных ледяных потоков (более быстро движущийся лед), которые входят в шельфовый ледник Росс, Ледяной поток Рутфорд, входящий в море Уэдделла, а также ледник Туэйтс и ледник Пайн-Айленд, входящий в. Мнения расходятся относительно текущего баланса масс этих систем (Bentley 1983, 1985), главным образом из-за ограниченности данных. Западно-Антарктический ледяной щит стабилен до тех пор, пока шельфовый ледник Росс ограничен сопротивлением по его боковым границам и закреплен местным заземлением.
