8 Minutės
Giliai po Grenlandijos paviršiumi kažkas netikėto lenkia ledą: kylantys plūmai, elgiasi labiau kaip karštas uolienas nei kaip užšalęs vanduo. Radaro skenavimai tokius plūmo formos iškraipymus fiksuoja daugiau nei dešimtmetį, o naujausi kompiuteriniai modeliai rodo netikėtą kaltininką – šiluminę konvekciją pačioje ledyno masyvo viduje.
Paslėptos raukšlės milžiniškoje sniego kronikoje
Grenlandijos ledyno plokštė yra didžiulis, sluoksniuotas praeitų klimatų ir sniego kritulių archyvas. Ji užima maždaug 80 procentų salos ploto ir talpina tiek vandens, kad jos visiškas ištirpus keltų pasaulinį jūros lygį keliais metrais. Mokslininkai tiria šį archyvą naudodami į ledą giliau įsiskverbiančią radarą (angl. ice-penetrating radar). Radijo bangos praeina per ledą ir atsispindi nuo vidinių sluoksnių – sukietėjusio sniego, dulkių, pelenų ir cheminių žymių, kuriomis kasmet ir per amžius žymimos sezoninės sąlygos.
2014 metais tyrėjai pastebėjo anomalijas Grenlandijos šiaurėje: dideles, į viršų išsilenkiančias struktūras radariniuose įrašuose, kurios nesutapo su požeminio pagrindo topografija. Kelerius metus tų struktūrų kilmė buvo ginčijama. Ar tai galėjo sukelti skysto vandens užšalimas prie pagrindo, iškreipiantis sluoksnius? Ar slidumo zonų migracija ir lubrikacija galėjo sukurti tokį pynimą? Šios hipotezės atrodė įtikinamos, tačiau nė viena nepaaiškino visų stebėjimų visumos.
Į sceną įžengė šiluminė konvekcija: procesas, pažįstamas iš Žemės mantijos, kai karšta, plastiška uoliena kyla, o vėsesnės masės nusileidžia, formuodamos plūmus ir konvekcinius langelius. Iš pirmo žvilgsnio idėja atrodo prieštaringa kietam ledui. Ledas juk šaltas ir trapus, taip? Posūkis tas, kad ledas po milžinišku ledyno slėgiu ir šiek tiek pašildytas prie pagrindo tampa gerokai labiau deformuojamas. Tokiu būdu lėtas, plūduriuojantis perveržimas tampa fiziškai įmanomas.
Simuliacija: lėtas „virimas“ ledo puode
Siekiant patikrinti šią hipotezę, ledynologai, kuriuos vadovavo Robertas Law iš Bergeno universiteto, pritaikė geodinamikos modelių paketą, paprastai naudojamą mantijos konvekcijai. Jie sukūrė supaprastintą vertikalų Grenlandijos ledyno pjūvį – plokštę maždaug 2,5 kilometro storio – ir variavo realistiškus parametrus: sniego kaupimąsi, ledo storį, pagrindo temperatūrą, ledo minkštumą bei paviršiaus judėjimo greičius.
Ribotų, bet fiziškai pagrįstų sąlygų rėmuose modelis generavo kylantį stulpą šiltesnio, minkštesnio ledo, kuris sulankstė viršutinius sluoksnius į plūmų formos išlinkimus. Iš tų sintetinės konvekcijos sukurtų profilių gautos radarinės paraiškos labai gerai sutapo su tikraisiais radarų įrašais. Iš to seka prielaida: jeigu radarų plūmai iš tiesų yra konvekciniai iškilimai, tai Grenlandijos šiaurės ledo pagrindas turi būti šiltesnis ir daug labiau deformuojamas nei leidžia tradiciniai modelių prielaidų parametrų rinkiniai.
Iš kur galėtų kilti toks šilumos kiekis? Modeliavimas nenaudojo egzotinių šaltinių. Vietoje to, reikalinga šiluma yra suderinama su pastoviu geoterminės šilumos srautu, kylantį iš Žemės plutonos – šiluma, kuri susidaro iš radioaktyviųjų elementų lėto skilimo ir likutinės planetos formavimosi šilumos. Nors šis srautas yra menkesnis nei saulės ar atmosferinė šiluma, po kilometrų izoliacinio ledo sluoksniu jis gali per ilgus laiko periodus susikaupti taip, kad pagrindo sluoksnis taptų pakankamai šiltas, kad ledo medžiaga taptų duktili ir pajėgi lėtai judėti.
Klimatologas Andreas Bornas, taip pat iš Bergeno universiteto, šį procesą palygino su lėtai verdančiu puodu – ne su šlapiu balute, bet su kietu ledu, kuris elgiasi kaip klampus fluidas tūkstančių metų masteliais. Tai svarbus skirtumas. Konvekcinis judėjimas gilyje nereiškia, kad ledas šiandien yra tirštas arba kad jis netrukus išnyks. Vietoje to, tai atskleidžia subtilų vidinį mechanizmą, galintį perarrangetuoti sluoksnius ir paveikti, kaip ledyno masyvas vystosi per šimtmečius ar tūkstantmečius.
Pavyzdinės plūmų struktūros iš Grenlandijos šiaurės, nubrėžtos pagal radarinius tyrimus.
Poveikis ledo dinamikai ir jūros lygio prognozėms
Šiluminės konvekcijos atradimas pačioje ledyno masyvo struktūroje verčia iš naujo apsvarstyti pagrindo sąlygas ir vidinės ledo reologijos parametrus. Jeigu Grenlandijos ledo plokštėje yra konvekciniai langeliai, šios zonos gali skirtingai pernešti šilumą bei nešvarumus nei tai numato tradiciniai modeliai. Dulkių sluoksniai ir cheminės žymės gali būti pakelti arba sulankstyti, kas apsunkintų klimatinį įrašą, išgaunamą iš ledkalnių gręžinių. Taip pat pagrindo minkštumas keičia vidinį įtampos perdavimą per ledą, modifikuodamas ilgalaikius tekėjimo modelius.
Ką tai reiškia jūros lygio kilimui? Tai yra skubus, tačiau ne iki galo išspręstas klausimas. Konvekcija gilyje keičia vidinę struktūrą, o ne tiesiogiai didina lydytų vandenų kiekį. Vis dėlto pasikeitę tekėjimo modeliai per ilgus laikotarpius gali paveikti išėjimo ledynus (angl. outlet glaciers) arba atraminės linijos (grounding line) dinamiką. Tyrėjų komanda pabrėžia, kad reikia atlikti daugiau darbų – tikslingų pagrindo temperatūros matavimų, tiesioginių mėginių ėmimo vietose, kur tai įmanoma, ir tolesnių modelių, kurie sujungtų pagrindo termodinamiką su plačiais ledyno judėjimo modeliais.
Praktiniai iššūkiai yra dideli. Matuoti sąlygas ledas–pamatas sąsajoje yra sudėtinga ir brangu. Nuotoliniai stebėjimai suteikia užuominų, tačiau tikrieji patikimumo duomenys – gręžiniai, seismologiniai tyrimai ir geoterminiai matavimai – bus reikalingi, kad patvirtintų modelių rezultatus ir nustatytų, kur konvekcija galėtų vykti. Kol to nėra, idėja, kad ledyno masyvas gali talpinti lėtą, plūmais panašų perkrovimą, lieka provokuojančia paaiškinamąja hipoteze, kuri geriau atitinka duomenis nei kitos konkurencingos prielaidos.
Taip pat svarbu pažymėti, jog konvekcijos buvimas neprivalo būti tolygus ar nuolatinis visame ledyne. Jis gali būti lokalizuotas, priklausomas nuo vietinių pagrindo uolienų savybių, geoterminio šilumos srauto variacijų, sniego kaupimosi skirtumų ir ankstesnės ledo istorijos. Tokios heterogeniškos sąlygos reiškia, kad modeliai turi leisti erdvines ir laiko variacijas, o stebėjimų kampanijos turėtų būti tiksliai orientuotos, kad aptiktų mažos erdvinės skalės procesus.
Techniniai aspektai: radaras, modeliai ir lauko matavimai
Radariniai matavimai, naudojami tokioms anomalijoms aptikti, remiasi antenų signalo sklidimu ir atspindžių interpretuote. Vidiniai ledo sluoksniai veikia kaip dielektriniai sluoksniai, kurių savybės priklauso nuo ledą sudarančių medžiagų (pvz., ledas, oro poros, suspensijos priemaišos ir trapi vandens plėvelė). Konvekcinis kilimas iš vidinio sluoksnio pakeičia geometrinę sluoksnių formą ir sukuria aiškius radarinius atspaudus – kontūrus, kuriuos galima atpažinti, palyginus daugelio metų žemėlapius.
Modeliuojant, tyrėjai pritaikė reologinius ledo dėsnius, įskaitant Gleno įstatymą ir temperatūros priklausomą viskozitiškumą, kartu su geoterminio šilumos srauto parametrais. Jie nagrinėjo jautrumą tokiai informacijai kaip bazinio drėgnio lygis, kuris daro įtaką slankumui, ir įvairias atšiaurias sniego kaupimosi trajektorijas. Tokie parametrai lemia, ar tam tikras zoninis šilumos perteklius laikui bėgant sukaups reikiamą temperatūrą, kad ledo dalis taptų duktili ir pradėtų konvekuoti.
Lauko kampanijos, kurios galėtų patvirtinti šiluminę konvekciją, apimtų: didelio tikslumo radarinius tranšėjus ir sondavimus, gręžinių temperatūros profilius, įrengtus termometrus pagrinde, seismologinius tyrimus, leidžiančius atskirti plastiškas zonas nuo trapių, bei geoterminį šilumos srauto vertinimą per geologinius žemėlapius. Kosminės palydovinės priemonės ir oro radarai padeda nustatyti erdvinius anomalijų modelius, tačiau dirvos ir ledo kontaktiniai matavimai suteiktų būtinas patikras.
Konsekvencijos klimato mokslui ir ledynų istorijos rekonstrukcijai
Vienas iš svarbiausių praktinių klausimų yra tai, kaip konvekcija paveiks klimato įrašus, išgaunamus iš ledkalnių gręžinių. Ledas saugo sezonines ir metines chemines žymes; bet jei sluoksniai yra sulankstyti arba užkelti į kitus aukščius, chronologinė seka gali būti iškreipta. Tai reiškia, kad koreliacija tarp gylio ir laiko gali reikalauti papildomų korekcijų tose srityse, kur veikia konvekcija. Tikslesnis sluoksnių modeliavimas bei papildomi lyginamieji duomenys iš kelių gręžinių gali padėti atkurti tikrąją istoriją.
Be to, supratimas apie vidinę ledo dinamiką yra esminis formuojant patikimas jūros lygio prognozes. Didžioji dalis šiuolaikinių oro ir klimato modeliavimo sistemos priklauso nuo įverčių, kaip ledynai reaguos į klimatinių parametrų pokyčius. Įtraukus į modelius galimybę, kad ledyno pagrinde gali vykti konvekcija, galima pakeisti prognozuojamas tekėjimo trajektorijas per šimtmečius, o tai gali turėti reikšmingų pasekmių ilgalaikėms jūros lygio projekcijoms.
Ekspertų įžvalgos
"Tai priminimas, kad ledynai yra daugiau nei statiški sniego sandėliai," sako dr. Maya Khatri, glaciophizikė iš NASA Goddard, kuri neprisidėjo prie šio tyrimo. "Pagrindo sąlygos gali generuoti emergencinius elgesius, nematomus nuo paviršiaus iki tol, kol nežiūrite radarų duomenimis ir modeliais. Konvekcinis perkrovimas yra lėtas, bet per šimtmečius jis gali pakeisti vidinį ledyno kraštovaizdį, ir tai svarbu, kai bandai nuspėti ilgalaikį atsaką į klimato atšilimą."
Dr. Khatri priduria atsargiai: "Reikalingos koordinuotos kampanijos – gręžiniai, didelės raiškos radaras ir sujungti ledas–šiluma modeliai – kad šias elegantiškas simuliacijas paverstume patikimais apribojimais jūros lygio projekcijoms."
Radaras, modeliavimas ir lauko tyrimai priartino mus prie Grenlandijos vidinio gyvenimo supratimo. Atradimas, kad ledas gali „ridentis“ ir „virti“ vietoje, varomas mažytės, bet pastovios geoterminės šilumos, yra priminimas apie sudėtingumą po mūsų kojomis ir ragina tobulinti priemones, kurias naudojame prognozuodami ledo ir jūros lygio ateitį.
Kuo daugiau įsiklausome į signalus, paslėptus lede, tuo geriau būsime pasiruošę perskaityti jų reikšmę pakrantėms ir bendruomenėms visame pasaulyje.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą