Путешествие к краю льда

Арктический лед тает — вопрос в том, насколько быстро. Летний морской лед может продержаться еще 100 лет, а может исчезнуть уже в этом десятилетии, что приведет к катастрофическим последствиям для всей планеты. Чтобы найти ответ, экспедиции на вершину мира предстоит разобраться в запутанной физике льда. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

«Доставайте ледорубы», — шепчет учёный в чернильных сумерках. Мы стоим на 30-сантиметровом слое льда — тонкой прослойке, отделяющей нас от смертоносного Северного Ледовитого океана внизу, — и лёд дрожит. Он издаёт громкий хлопок, и трещина начинает распространяться на десятки метров.

Не зная, что будет дальше со льдом, я нащупываю свои ледорубы, но они спрятаны в передних карманах комбинезона под толстым спасательным жилетом. Когда я наконец их достаю, в груди колотится, а мысли лихорадочно проносятся, рисуя один худший сценарий за другим. Здесь, в 600 километрах к северу от ближайшего клочка земли, нырнуть в воду с температурой чуть выше минус 1,8 градуса по Цельсию не кажется чем-то заманчивым.

Через мгновение лёд затихает, и мы остаёмся в тишине сумерек середины октября. Ян Рафаэль, аспирант Дартмутского колледжа, глубоко вздыхает. «Это было дико, динамично и пугающе», — говорит он с радостной, почти детской улыбкой.

Рация в переднем кармане его брюк булькает, когда другие исследователи сообщают о внезапном появлении трещины. Мы понимаем, что она тянется по льду не менее чем на 500 метров. В самом широком месте она составляет 5 сантиметров, но по мере приближения мы видим, что она растёт. Льдина раскололась надвое.

Неопытному глазу льдина кажется огромной и неизменной. Почти во всех направлениях к горизонту простирается сад скульптур из снега и льда, где он сталкивается с бессолнечным сапфирово-голубым небом. Но мало какой ландшафт может сравниться с арктической ледяной шапкой – мозаикой из небольших льдин шириной всего несколько километров. Они постоянно перемещаются – сталкиваются друг с другом, проносятся мимо друг друга и раскалываются на осколки. Эти перемены – прелюдия к лету, когда лёд претерпевает ещё одно радикальное изменение: он начинает таять.

Каждую весну солнце впервые за несколько месяцев выглядывает из-за горизонта, и его тёплые лучи заставляют морской лёд отступать. Осенью и зимой лёд снова нарастает. Но этот цикл нестабилен. Сегодня летом морской лёд теряет больше льда, чем восстанавливается зимой, что приводит к сокращению общей площади морского льда.

Более высокие температуры спровоцировали это изменение, но физические свойства льда его усугубляют. Обширное таяние обнажает огромные участки тёмной океанской воды. В отличие от толстого льда, вода имеет низкую отражательную способность поверхности, или альбедо, и поглощает солнечный свет, а не отражает его. Это поглощение ещё больше нагревает океан и стимулирует дальнейшее таяние льда, создавая порочный круг, который учёные называют положительной обратной связью. «Это процессы, в которых можно слегка подтолкнуть систему и превратить его в мощный толчок», — сказал Дональд Перович, профессор инженерного факультета Дартмутского университета.

Но хотя петля обратной связи между альбедо и льдом в теории проста, в ней играет роль ряд сложностей, включая толщину льда, различные типы льда, наличие снега и облаков, а также физические взаимодействия, которые управляют этими сложностями. Постепенно ученые начали включать эти тонкости в свои моделирования. «В ранних климатических моделях полюса были просто окрашены в белый цвет», — сказала Марика Холланд, климатолог из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо. Затем ученые добавили детали и быстро обнаружили, что эти изменения повлияли на результаты их моделей. Согласно моделированию, соавтором которого была Холланд в 2012 году, только лишь включение аэрозолей и талых прудов уменьшило толщину морского льда на 1 метр и привело к таянию большего количества летнего морского льда.

Однако, несмотря на недавние достижения, наше понимание этих и других обратных связей всё ещё слишком поверхностно. Это подтверждается разнообразием результатов, предсказываемых различными моделями. Некоторые прогнозируют, что летний морской лёд сохранится до XXII века. Другие же предсказывают его исчезновение в течение следующих 10 лет.

Когда бы это ни произошло, трансформация затронет всю планету. Всё более тёмный Северный Ледовитый океан усилит потепление в Арктике. Это может привести к таянию ледников Гренландии, что приведёт к повышению уровня моря и таянию вечной мерзлоты в мире, что приведёт к выбросу огромных объёмов удерживающих тепло газов в атмосферу. Освобождение Арктики ото льда, вероятно, нарушит погодные условия по всему миру, приводя к периодам изнуряющего холода, жестокой жары и разрушительных штормов в низких широтах. В экстремальном случае это может даже привести к исчезновению Гольфстрима, погрузив большую часть Европы в холодную погоду. «Это сценарий «Послезавтрашнего дня»», — сказал Мишель Цамадос, эксперт по морскому льду из Университетского колледжа Лондона.

В зависимости от физики льда многие из этих эффектов могут проявиться уже в этом десятилетии.

Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.

Чтобы лучше понять хронологию событий, учёные проводят год на немецком ледоколе, застрявшем во льдах на вершине земного шара. В рамках этой миссии, к которой я присоединился на шесть недель в сентябре и октябре, они наблюдают за Арктикой, чтобы точнее оценить обратную связь между альбедо льда и атмосферой, а также ряд других неизвестных арктических параметров. Мы надеемся использовать данные измерений на льду для калибровки дистанционных данных, таких как спутниковые снимки, и для более глубокого понимания сложной структуры пакового льда, чтобы сделать климатические модели ещё точнее.

«Это не просто интеллектуальное упражнение», — сказал Перович, указав на серьёзные потрясения, происходящие сейчас в общинах инуитов. «Мы пытаемся понять, какие последствия они оказывают на людей сегодня».

Новая Арктика

Вечером 26 сентября мы подошли к краю ледяного покрова. Тонкий лёд сначала казался маслянистой россыпью кристаллов, сверкавших на солнце. Постепенно он уплотнялся, образуя тонкую чёрную плёнку. В этот момент он всё ещё мог гнуться, позволяя волнам от проходящего корабля рябить по нему. По мере того, как мы двигались на север, лёд продолжал расти, пока не стал твёрдым и белым. Здесь волны швыряли лёд, стирая его в круглые пластины, называемые блинчатым льдом, или накладывая тонкие листы друг на друга, создавая переплетённый узор, явление, известное как «пальцеобразный рафтинг». В одном словаре, плававшем вокруг корабля, были описания и рисунки 99 различных типов морского льда.

К следующему утру мы начали проходить мимо гигантских льдин, словно прорывались сквозь огромный белый континент, испещренный следами белых медведей. Я находился на борту российского ледокола «Академик Федоров», который помогал в подготовке миссии (известной как Многопрофильная дрейфующая обсерватория по изучению арктического климата, или «Мозаика»). В середине сентября «Академик Федоров» и немецкий ледокол «Поларштерн» вышли из Тромсё (Норвегия) и направились в центральную Арктику. Первой задачей было найти настолько прочную и толстую льдину, чтобы «Поларштерн» мог на неё направиться, а капитан мог бы заглушить двигатели судна, тем самым погребя судно подо льдами на целый год.

Всё должно было быть относительно просто. В конце сентября на нашей широте толщина морского льда должна составлять около 1,6 метра, согласно прогнозам Национального управления океанических и атмосферных исследований. Однако в течение нескольких дней мы тщетно искали льдину толщиной всего метр. Вертолётные разведывательные миссии проанализировали более дюжины льдин, но каждая из них имела толщину менее 0,5 метра. Швартовать корабль к такой тонкой льдине было бы опасно — сильный ветер протолкнул бы корабль сквозь лёд, уничтожив все исследовательские станции.

Эти трудности особенно ярко продемонстрировали отсутствие многолетнего льда в центральной части Северного Ледовитого океана. «Старый лёд почти полностью исчез», — сказал Цамадос. «Это не паникёрство, это факт». За последние три десятилетия толщина самого старого и толстого льда сократилась на целых 95%. Эту информацию можно получить с помощью спутниковых наблюдений, но они могут быть несовершенными. Спутники обычно измеряют толщину льда с помощью специального радара, который должен проникать сквозь снег. Если же этого не происходит, учёные могут ошибочно принять снег за лёд и переоценить толщину льда.

Снег создаёт и другие осложняющие факторы. В простейшем случае снег действует как одеяло, не давая теплу из относительно тёплой воды уходить в атмосферу. (В конце концов, его теплоизоляционные свойства делают его отличным материалом для иглу.)

В 2012 году Мелинда Вебстер, учёный из Университета Аляски в Фэрбанксе, решила изучить, как снежный покров влияет на рост морского льда. В небольшой лагуне, соединённой с Чукотским морем, — месте, защищённом от осложняющих факторов ветра и океанических течений, — её команда обнаружила, что толстый снег замедляет рост морского льда. Чем тоньше лёд, тем он чувствительнее к изолирующим свойствам снега.

Однако учёные не могут сказать, растёт или уменьшается количество снега в Арктике. С одной стороны, открытая вода выделяет больше влаги в атмосферу, что приводит к большему количеству осадков. Но поскольку льда меньше, уменьшается и площадь поверхности, на которой может накапливаться снег.

Закрывать

Роль снега, по-видимому, также имеет сезонный характер. Осенью штормы обрушивают на морской лёд целые снежные ведра, но в середине зимы их интенсивность снижается. Ещё одной проблемой является неоднородность снежного покрова. Когда мы впервые вошли в полярную ледяную шапку, я ожидал увидеть снежный покров, простирающийся до горизонта и скрывающий различные типы морского льда. Но толщина снега сильно различалась. В районах, где была открытая вода или недавно замерзший морской лёд, снега не было вообще. Вблизи ледяных гор снег скапливался, образуя большие предгорья.

Распределение снега «будто вы накинули на плечи одеяло вчетверо толще, а остальное тело оставили совершенно открытым», — сказал Кристофер Полашенски, геофизик из Дартмута. «Вероятно, от этого вы немного замёрзнете». При таких обстоятельствах может нарасти довольно много льда, даже если вокруг много снега.

Лед живой

Вскоре после того, как «Поларштерн» врезался в льдину (которая наконец-то была признана достаточно прочной), учёные разбили на льду исследовательские станции. Они построили хижины и установили разноцветные палатки, соединённые сложной сетью троп и линий электропередачи — небольшой плавучий город.

Марсель Николаус, специалист по морскому льду из Института Альфреда Вегенера в Германии (руководящего миссией Mosaic), выбрал место всего в 300 метрах от носа и немного правее. Оттуда его команда планировала сбросить дистанционно управляемый аппарат, получивший название «Зверь», в лунку во льду. Гидролокатор «Зверя» будет отслеживать рельеф нижнего слоя льда, а вместе с ним и толщину льда, которая играет решающую роль в цепочке обратной связи между альбедо и льдом. Тонкий лёд поглощает больше света, чем отражает. Поэтому он тает быстрее, чем толстый белый лёд.

Рафаэль, напротив, сканировал лёд и снег сверху, чтобы увидеть, как альбедо и снег меняются в течение сезона. Вскоре после того, как мы достигли льдины, он выбрал место для установки вращающегося лазера — цилиндра, который выглядит почти как R2-D2 — на 7-футовом штативе. Сканирование картирует десятки тысяч точек и в конечном итоге покроет площадь размером примерно с 20 футбольных полей. Цель состоит в том, чтобы многократно картировать область в течение года, позволяя учёным наблюдать за движением поверхности по мере накопления снега и смещения таких объектов, как дюны, под ревущим ветром. Летом карта также покажет таяние поверхности. «Вы получите эту невероятную трёхмерную карту того, как поверхность тает в десятках тысяч точек», — сказал Перович. По мере таяния льда на поверхности образуются тёмные лужи. В конце концов лёд становится настолько пористым, что лужи просачиваются сквозь лёд, превращая поверхность обратно в белую. Затем тает ещё больше льда, и процесс продолжается.

Чтобы подготовить место для Рафаэля, мы однажды утром обошли его периметр. На южном горизонте висело розовое зарево, а на севере низко маячила оранжевая луна (которая не зайдет в течение 12 дней). Было относительно тепло, поэтому можно было работать, не надевая дополнительных слоёв одежды, и даже снимать варежки на минуту. В тот день работа казалась лёгкой, и Рафаэль напевал рождественские мелодии, таща сани, полные инструментов, в своём пухлом красном комбинезоне. Мы и представить себе не могли, что через несколько минут во льду появится трещина.

Это сезонное дыхание льда — таяние прудов, выпадение снега, а также образование и закрытие трещин — влияет на ещё одну важную особенность арктического климата. Когда во льду образуется особенно большая трещина, или прореха, она высвобождает в атмосферу поток тёплого воздуха и влаги: топливо для облаков.

В связи с этим многие учёные выдвинули гипотезу, что потепление в Арктике приведёт к увеличению облачности. Можно подумать, что облака будут ограничивать потепление: облака, подобно толстому белому льду, отражают солнечное излучение обратно в космос. В результате Арктика может оставаться относительно холодной.

Вместо этого, как утверждает Патрик Тейлор, климатолог из Исследовательского центра Лэнгли НАСА в Вирджинии, похоже, все наоборот. В 2015 году Тейлор и его коллеги использовали спутники НАСА Calipso и CloudSat и обнаружили, что открытая вода образует облака осенью и зимой — когда солнечного света практически нет, — но что открытая вода создает меньше облаков летом. Причина проста. «Если вы вынесете кружку горячего какао на улицу, а температура минус 20 градусов по Фаренгейту, вы увидите огромное количество испарения», — сказала Дженнифер Кей, климатолог из Университета Колорадо в Боулдере. Тогда как если вы вынесете кружку на улицу в жаркий летний день, вы этого не увидите. Он должен быть горячим по сравнению с атмосферой, чтобы произошло испарение. А в более холодное время года Северный Ледовитый океан просто целебен.

Таким образом, зимние облака действуют как одеяло, удерживая тепло внутри. Тейлор утверждает, что облака, таким образом, усиливают обратную связь между льдом и альбедо. Открытая вода осенью и зимой образует облака, которые нагревают поверхность, что приводит к увеличению количества открытой воды в последующие сезоны и увеличению количества облаков, покрывающих поверхность.

Солнце, трещины, снег, льдины, облака, ветер — все они работают вместе, взаимодействуя друг с другом, формируя самую важную систему терморегуляции на планете. «Как будто у нас есть самый сложный пазл, какой только можно себе представить, — сказал Перович, — и у каждого есть несколько его фрагментов».

Дует на ветру

Около 4 утра на следующий день после того, как лёд треснул у меня под ногами, тонкий слой льда начал взрываться с оглушительным грохотом, который разбудил корабль. Перед тем, как отправиться в путешествие, я поговорил с несколькими арктическими исследователями, которые посоветовали мне прислушаться ко льду. Я думал, это означает, что я должен встать на колени на лёд и приложить ухо к льдине — чтобы лёд зашептал мне. Но лёд не шепчет. Он кричит. Всякий раз, когда нарастает давление, вы слышите громкий шипящий звук — почти как визг взрывающейся бутылки из-под газировки. Он шипит. Он хлопает. Он стонет. И делает это очень громко. Белый медведь, стоящий вдалеке, вероятно, услышал бы что-то похожее на гром.

В течение нескольких часов лёд по левому борту судна скреб корпус, отбрасывая судно назад и натягивая якорные канаты перед носом. Капитан впервые с тех пор, как мы вмерзли в льдину, запустил двигатели и направил судно к якорям, чтобы не допустить их обрыва. В конце концов, лёд замедлил движение и остановился. Но вскоре после этого 10-метровая трещина, которая теперь шла от горизонта к носу судна, фактически разделяя лёд по левому и правому борту на отдельные льдины, сомкнулась. Затем две отдельные льдины скатились вместе, образовав небольшие горы из бирюзовых ледяных глыб. «На судно оказывалось огромное давление», — сказал Байрон Бломквист, атмосферный учёный из Университета Колорадо в Боулдере. «Хорошо, что это ледокол, иначе нас бы раздавило, как грецкий орех».

Всего за несколько часов лёд кардинально изменился. В то утро никому не разрешалось находиться на льду, но около восьми утра я сел в вертолёт вместе с Маркусом Рексом, физиком атмосферы из Института Альфреда Вегенера и руководителем экспедиции «Мозаика». Мы пролетели над льдиной, чтобы оценить ущерб. Наступила полярная ночь, и мы могли видеть только при свете корабельных огней и слабом отблеске сумерек, которые придавали пейзажу глубокий морской оттенок. С высоты птичьего полёта нам открылся новый мир. С левого борта корабля была открытая вода. С правого – несколько трещин и ледяная гряда, нависшая над близлежащими линиями электропередачи.

Лед действительно живой. И, по словам таких исследователей, как Полашенски, все это движение влияет на петлю обратной связи между льдом и альбедо. Эти горные цепи льда, которые образуются, когда льдины сталкиваются друг с другом, образуют более толстый лед, который сложнее растопить. Открытые трещины воды замерзают, превращаясь в тонкий лед, который затем быстро тает следующим летом. Хребты формируют снежные сугробы, наносимые ветром. Динамика морского льда может стать еще более мощной по мере того, как лед истончается, создавая еще одну петлю обратной связи. В конце концов, более тонкий лед легче перемещать. Осенью и зимой он образует больше разводий. Летом он тает быстрее. Этот цикл усиливается с каждым годом.

Чтобы лучше понять динамику морского льда, Полашенски установил на льду прибор, который посылает лазерный импульс на несколько целей на расстоянии примерно в километр, чтобы измерить, как со временем меняется расстояние до них — мельчайшие изменения, которые предвещают разрушение льда. Другие учёные установили во льду буи, которые будут сообщать местоположение через спутники GPS, что позволяет им наблюдать за тем, как лёд размыкается, смыкается, сдвигается и вращается.

Учитывая количество штормов, свидетелями которых уже стали учёные проекта Mosaic, этот набор данных – просто мечта учёного, хотя работа была невероятно сложной. 17 ноября, через месяц после моего отъезда, в центре лагеря образовалась разводье. Сначала это было легко преодолимо. Учёные построили мосты, чтобы пересечь его. Затем оно начало сдвигаться, смещая лёд перед кораблём с правого борта на левый. «Это было похоже на парад», – рассказал Рафаэль в WhatsApp (лучшем способе связи на борту). Несколько объектов остались без электричества. Поле Рафаэля было разорвано на части.

«Существует эта двойственность, когда невероятно раздражающе наблюдать, как вся твоя работа буквально разваливается, измерения прерываются, а приборы ломаются», — сказал Рафаэль. «Но одновременно это мощно, разрушительно, изменчиво и прекрасно — как наблюдать за большой рекой во время весеннего разлива». В конце концов, именно поэтому многие учёные согласились участвовать. «Вот что такое наука о морском льду», — сказал он. «Вот почему это так сложно и, надеюсь, в конечном итоге приносит плоды».

Рафаэль в конце концов восстановил своё поле, и со временем все наблюдения экспедиции — от толщины снега до динамики льда — будут использованы в климатических моделях, которые помогут прогнозировать наше будущее. Я думал об этом будущем, возвращаясь домой. Поздно ночью мы покинули морской лёд, и я наблюдал, как мир преображается: от толстых льдин до маленьких круглых пластин, называемых блинчатым льдом, и, наконец, до открытой воды. Захватывающе красивый мир исчез за считанные часы, и я могу больше никогда его не увидеть. Даже если я вернусь туда через 10 лет, он может выглядеть совершенно иначе. Возможно, его вообще не будет.

Эта статья была перепечатана на Wired.com и Spektrum.de .

Источник: www.quantamagazine.org