Мера ускоряющегося похудания

Гренландский ледник теряет массу. Причем скорость потери льда быстро растет. Но если раньше это было лишь обоснованным предположением, то в последнее время появляются все более точные измерения. Если полностью растопить все ледники Антарктиды и Гренландии, уровень океана может подняться на 80 метров. Но и значительно меньшие изменения в состоянии ледниковых шапок могут заметно изменить условия жизни на Земле.

 

 

За их состоянием надо следить, и лучше всего — из космоса

Измерять потери гренландского ледника лучше всего с околоземной орбиты

Спутники GRACE позволяют определять изменения толщины льда с очень большой точностью. В частности, их измерения над Антарктикой показали, что только за счет таяния антарктического льда в период с 2001 по 2005 год уровень мирового океана повышался на 1,2 мм ежегодно. Фото: Ben Holt Sr., GRACE team, DLR, NASA

Гренландский ледник теряет массу. Причем скорость потери льда быстро растет. Но если раньше это было лишь обоснованным предположением, то в последнее время появляются все более точные измерения. По данным Геологической службы США, запасы пресной воды в ледниках Антарктиды и Гренландии в 3,5 раза больше мирового объема грунтовых вод и в 300 раз больше, чем содержится во всех озерах, болотах и реках Земли. Если полностью растопить весь этот лед, уровень океана может подняться на 80 метров. Но и значительно меньшие изменения в состоянии ледниковых шапок Антарктиды и Гренландии могут заметно изменить условия жизни на Земле. Как проследить за этими изменениями?

Казалось бы, достаточно просто регулярно измерять объем ледников. Но это проще сказать, чем сделать. Обычно полярные экспедиции сейсмическими методами определяют толщину ледового покрова в разных точках, усредняют результаты и умножают на площадь оледенения. Точность таких измерений довольно низкая: для Гренландии относительная погрешность измерения объема составляет около 5%, а для Антарктиды почти 10%. Между тем ежегодный сток полярных ледников в море составляет менее сотой доли процента их объема.

У гляциологов разработаны весьма тонкие методы изучения приходно-расходного баланса ледников. В верхней части ледника — области питания — выпадающий снег смерзается и увеличивает массу льда, в нижней части — области расхода — лед тает или, сползая в море, откалывается в виде айсбергов. Между зонами питания и расхода лед медленно движется под действием силы тяжести.

Чтобы понять, растет масса ледника или сокращается, нужно измерить, сколько льда накапливается в его верхней питающей части и сравнить с потерями в нижней расходной части. Накопление льда отслеживается по специальным вешкам, которые постепенно погружаются в лед. А расход в Гренландии и Антарктиде можно оценивать по скорости движения льда, спускающегося к воде, которая в случае шельфовых ледников измеряется сотнями метров в год, но может превышать 10 км/год.

Именно такое ускорение ледников наблюдается в Гренландии в последние годы. Например, ледник Петермана на севере острова шириной 60 км за пять лет двое увеличил скорость. Другой ледник Кангерлуссуак на востоке Гренландии ускорился почти втрое — с 5 до 14 км/год. И все же приходно-расходный метод не дает приемлемой точности. Скорость движения льда не только меняется во времени, но и не одинакова по глубине и ширине ледника. Поэтому составить точный баланс совсем непросто. А теперь учтите тысячи километров береговой линии, где лед сходит в воду. Короче говоря, нужен принципиально иной метод.

На практике спутники не вычисляют форму геоида, а измеряют аномалию гравитационного поля Земли. Синим цветом обозначены области с отрицательной аномалией, там геоид поднимается над сферой; красным — с положительной аномалией, там геоид уходит вниз. Карта: The University of Texas Center for Space Research, JPL/NASA, GeoForschungsZentrum Potsdam

Новая возможность появилась 17 марта 2002 года, когда российской ракетой «Рокот» с космодрома Плесецк были запущены разработанные совместно США и Германией два спутника-близнеца GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). Спутники вышли на околополярную (наклонение 89°) орбиту высотой около 500 км и движутся по ней строго друг за другом на расстоянии 220±50 км. Раз в месяц или два проводится коррекция орбиты, чтобы сохранить строй.

Главная цель проекта GRACE — высокоточное измерение гравитационного поля Земли, или иными словами, определение формы геоида. Это ведь только в учебниках для начальных классов Земля имеет форму шара. Уже в старших классах мы узнаем, что она сплюснута у полюсов и представляет собой эллипсоид вращения. Ну, а специалисты говорят, что Земля имеет форму геоида, то есть вообще ни на что не похожа, кроме самой себя.

Геоид — это условная поверхность океана, которую он имел бы, если бы на него не действовали никакие силы, кроме земного притяжения. Из-за того, что масса внутри Земли распределена неоднородно, геоид отличается и от шара, и от эллипсоида. Более того, даже поверхность реального океана не следует строго его форме — в открытом море она отклоняется от геоида на величину до двух метров. Это вызвано колебаниями атмосферного давления, солености и температуры воды, морскими течениями, приливными волнами и множеством других факторов. Форму геоида определяют путем тщательных изменений гравитационного поля Земли. Поверхность геоида мысленно продолжают под всеми континентами. Там она проходит повыше, чем в океане — сказывается тяготение пород в материковых плитах. Под ледниковыми щитами геоид тоже немного приподнимается.

До запуска спутников GRACE погрешности определения формы геоида в разных районах Земли достигали 20–90 см. GRACE должные повысить точность ни много, ни мало в тысячу раз, сократив ошибки до 0,4 мм. Метод измерения основан на том, что небольшие гравитационные аномалии, определяющие форму геоида, влияют на траектории движения спутников. Их координаты определяются по сигналам системы глобального позиционирования GPS. Но одних только данных GPS для достижения нужной точности недостаточно. Поэтому спутники постоянно связаны микроволновым лучом, который позволяет измерять расстояние между ними с точностью до 10 микрон — это в 10 раз меньше толщины человеческого волоса.

Измерения спутников GRACE впервые позволили непосредственно определить, как меняется масса льда в Гренландии. Оказалось, что с апреля 2002 по ноябрь 2005 года (период, за который уже обработаны данные) Гренландия теряла в среднем по 239 км³ льда в год, что соответствует среднему уменьшению толщины льда на 13–14 см/год. Причем в последние полтора года этот процесс претерпевает ускорение. Эти результаты приводит журнал New Scientist, со ссылкой на группу исследователей из Техасского университета в Остине.

Гравиметрические измерения — не единственный современный метод оценки объема ледников. Независимые результаты дает американский спутник ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite). Он был запущен 13 января 2003 года с космодрома Ванденберг и тоже работает на околополярной орбите с наклонением 86° и высотой 600 км. Главный научный прибор на ICESat — высокоточный лазерный альтиметр GLAS (Geoscience Laser Altimeter System). По внешнему виду он напоминает телескоп, направленный строго вертикально вниз. Сорок раз в

Спутник CryoStat отличает сигнал, отраженный от поверхности воды, и сигнал, идущий ото льда. Таким образом удается измерить толщину льда. Иллюстрация: ESA/AOES Medialab

секунду он посылает к Земле короткий лазерный импульс, который высвечивает пятно диаметром семьдесят метров (для глаз он безопасен). Спутник регистрирует световую задержку — она составляет около четырех миллисекунд — и по ней определяет расстояние до поверхности.

Точность измерений альтиметра GLAS такова, что позволяет заметить изменение уровня моря или льда на 1 см/год. Измерения гренландского ледника со спутника ICESat подтвердили данные GRACE — ледник теряет около 240 км³/год, втрое больше, чем по прежним оценкам, сделанным в период с 1997 по 2003 год. Этой величине соответствует прирост уровня моря 0,66 мм/год. На первый взгляд немного. Но это почти половина от 1,5 мм/год — средней скорости подъема уровня мирового океана за последние 100 лет. И это вклад только одной Гренландии. По оценкам за последнее десятилетие скорость подъема уровня моря достигла 2–3 мм/год. Кстати, уточнить эту величину — другая задача спутника ICESat.

Впрочем, полного согласия по этому вопросу среди ученых пока нет. Специалисты из университета штата Колорадо в Боулдере обработали данные все с тех же спутников GRACE и получили существенно меньшую оценку потерь гренландского ледника — всего 152 км³/год. Различия могут быть вызваны недостаточной изученностью движения воздушных масс и приливов в Северном Ледовитом океане, которые тоже оказывают влияние на гравиметрические измерения.

Обеспечить независимую проверку этих результатов должен был европейский спутник CryoSat, однако он был потерян при неудачном запуске ракеты-носителя «Рокот» 8 октября 2005 года. Тем не менее, Европейский Союз считает эти исследования настолько важными, что вскоре утвердил план повторного строительства и запуска аппарата CryoSat-2. Его запуск планируется на март 2009.