Почему Арктика тает быстрее Антарктики

В то же время параметры ледового покрова Южного океана, представленного в основном сезонными льдами, образующимися в холодный период у берегов Антарктиды, остаются стабильными. Авторы обзорной статьи, опубликованной в журнале Ocean-Land-Atmosphere Research, проанализировали комплекс факторов, определяющих различия в поведении морских льдов в Северном и Южном полушариях. Основной вывод: в Арктике действуют сразу несколько петель положительной обратной связи разной природы, совокупность эффектов которых приводит к быстрому сокращению площади полярной шапки.

Рис. 1. Площадь распространения арктических льдов на сентябрь 2022 года по сравнению со медианной для 1981–2010 годов. Рисунок с сайта climate.gov

Ежегодно площадь ледового покрова Северного Ледовитого океана достигает минимума в сентябре, а максимума — в марте. Последние несколько десятилетий ученые отмечают неуклонное сокращение площади и толщины арктических полярных льдов. За период с 2012 по 2022 год площадь льдов в Арктике сократилась примерно на 13%. Сентябрьское значение 2022 года составило 4,87 млн кв. км. Это на 32% меньше, чем в среднем за период с 1981 по 2010 год (рис. 1). Климатологи считают это реакцией природной системы на глобальное потепление. В то же время, морской лед в Южном полушарии демонстрирует удивительную стабильность. По данным спутниковых наблюдений, начатых в 1979 году, его площадь практически не меняется (рис. 2).

Рис. 2. Ежегодные максимумы и минимумы площади морских льдов в Антарктике (слева) и Арктике (справа) за период 1979–2022 гг. Ледовый покров Южного океана остается относительно стабильным, а в Арктике летние потери льда нарастают более высокими темпами, чем зимние. Разница между максимальной и минимальной ледовитостью увеличивается со скоростью 10 000 км2/год. Рисунок с сайта eurekalert.org

Специалисты по океанологии и геопространственной инженерии из китайского Университета имени Сунь Ятсена опубликовали в журнале Ocean-Land-Atmosphere Research обзорную статью, в которой обобщили результаты 100 исследований, посвященных анализу географических, климатических и экологических факторов, влияющих на ледовую обстановку в Арктике и Антарктике. Задачей ученых было выявить ключевые факторы, определяющие различное поведение льда в двух полярных регионах, чтобы затем учитывать их в климатических моделях.

Географические различия бросаются в глаза сразу: большая часть арктического региона покрыта водой, а антарктического — сушей. Снега в зимний период в Арктике выпадает значительно меньше, чем в Антарктиде. Соответственно, медленнее нарастает толщина ледового покрова. Кроме того, Северный Ледовитый океан, в отличие от Южного, — это практически замкнутый бассейн, сообщающийся с другими океанами через пять водных ворот (рис. 3). Он освобождается ото льда не только в летний период, путем естественного таяния, но и в результате круглогодичного процесса адвекции — горизонтального выноса морского льда из арктической акватории через эти ворота.

Рис. 3. Пять ворот Северного Ледовитого океана. Стрелками показаны направления морских течений: через четверо ворот происходит отток арктических водных масс вместе со льдом, а через одни (Берингов пролив) — приток теплой тихоокеанской воды. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ocean-Land-Atmosphere Research

При этом скорость дрейфа арктического морского льда через ворота адвекции год от года возрастает (рис. 4).

Рис. 4. Скорость дрейфа арктического морского льда (км/день) в период с 1979 по 2019 год с разбивкой по сезонам (зеленый — весна, красный — лето, желтый — осень, синий — зима). Рисунок из обсуждаемой статьи в Ocean-Land-Atmosphere Research

Из климатических факторов самым значимым, несомненно, является температура. Данные всемирной сети метеонаблюдений, обобщенные в глобальной климатической модели CMIP5 Рабочей группы по совместному моделированию (WGCM) Всемирной программы исследования климата (ВПИК), показывают, что Арктика нагревается примерно в 4 раза быстрее, чем остальная часть земного шара, а Антарктика в целом следует общемировой тенденции (рис. 5).

Рис. 5. Среднегодовые отклонения усредненной температуры суши и океана для арктического (зеленый), антарктического (синий) регионов и мира в целом по данным Института космических исследований Годдарда НАСА. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ocean-Land-Atmosphere Research

Результаты моделирования указывают сразу на несколько петель положительной обратной связи в климатической системе Арктики, которых нет в Южном полушарии. Вместе они создают эффект, известный как арктическое усиление (Arctic amplification). Впервые о нем упомянул советский геофизик Михаил Будыко в 1969 году, заключив, что потеря морского льда влияет на температуру Арктики посредством обратной связи через альбедо поверхности (M. I. Budyko, 1969. The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth).

Даже в теплый период года Антарктика за счет огромной площади континентального ледяного щита сохраняет свое альбедо. В Арктике же свободная ото льда в летнее время темная поверхность Северного Ледовитого океана активно поглощает солнечную энергию, что еще больше усиливает потепление.

Второй момент — неуклонное снижение мощности арктического ледового покрова, которая отражает его возраст (рис. 6). Если морской лед переживает сезон таяния, следующей зимой он становится толще. Лед мощностью не менее трех метров, продержавшийся как минимум два годовых цикла, называют паковым. Толщина напрямую влияет на устойчивость к физическому воздействию, или, как говорят специалисты, выживаемость льда. Молодой тонкий лед легче разрушается в штормовых условиях даже при отрицательных температурах.

Рис. 6. Средняя толщина арктического морского льда по десятилетиям. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ocean-Land-Atmosphere Research

В середине 1980-х до трети арктических льдов были паковыми. В 2020 году их доля не превышала пяти процентов. Это означает, что изменилась не только площадь распространения льдов, но и их качество. Присутствие в составе ледяного покрова большой доли тонкого однолетнего льда создает петлю обратной связи, снижающую вероятность того, что этот лед переживет очередное лето (рис. 7).

Рис. 7. Процент льдов разного возраста в арктическом ледовом покрове по годам. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ocean-Land-Atmosphere Research

Фактором лавинообразного повышения температур может быть и процесс активного выделения сильнейшего парникового газа — метана — из газогидратных залежей на арктическом шельфе. Увеличение темпов высвобождения метана, вызванное оттаиванием многолетнемерзлых пород, приводит к дальнейшему ускорению потепления. И это еще одна петля положительной обратной связи.

Кроме того, во всех трех случаях происходит увеличение содержания в атмосфере водяного пара, усиливающего воздействие солнечного излучения. Антарктида же, покрытая толстой ледяной шапкой, не имеет источника тепловыделения в атмосферу и реагирует на глобальное потепление образованием трещин на поверхности щита, ускорением движения ледников и обрушения их краевых частей с образованием айсбергов. Ни одно из этих явлений не приводит к возникновению обратной связи, то есть не усиливает процесс повышения температуры.

Важную роль в балансе масс морского льда (особенно в холодный период года, когда идет нарастание ледового покрова) играет поток тепла, поступающий от океана. Данные, полученные с дрейфующих буев в районе моря Бофорта показывают, что в 2013–2018 годах по сравнению с 2006–2012 годами зимняя теплоотдача от океана ко льду более чем удвоилась — с 0,76 до 1,63 Вт/м2 (W. Zhong et al., 2022. Increasing Winter Ocean-to-Ice Heat Flux in the Beaufort Gyre Region, Arctic Ocean Over 2006–2018). Теплоотдача же Южного океана на шельфе Антарктиды остается практически неизменной.

Замкнутость арктического полярного бассейна приводит к тому, что его ледовый покров постоянно находится в напряженном состоянии, а столкновение толстых льдин приводит к образованию торосов, нарушающих прочность и целостность льдов. Морской лед в Антарктике свободно формируется в условиях открытого пространства и, несмотря на меньшую толщину, дольше сохраняет целостность.

Кроме того, значительную часть в балансе морских льдов Антарктики составляют шельфовые и припаянные ледники, которые значительно крепче свободноплавающих за счет их связи с сушей. А от теплых вод, поступающих из средних широт, их защищает Южный пояс западных ветров умеренного пояса, который расположен вокруг всего земного шара между 45 и 55 градусами южной широты. Система ветров управляет Антарктическим циркумполярным течением, окружающем Антарктиду. Это самое сильное течение в мире, делающее Южный океан обособленным, с гидрологической точки зрения, холодноводным бассейном (рис. 8).

Рис. 8. Контур Антарктического циркумполярного течения. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ocean-Land-Atmosphere Research

Сможет ли антарктическая ледовая система оставаться стабильной и в будущем, пока не понятно. На фоне общего устойчивого тренда в последние годы наметились резкие колебания. Так, в 2009–2015 годах площадь морских льдов в Южном океане сначала нарастала, а потом начала вдруг резко сокращаться со скоростью, значительно превышающей таяние льдов в Арктике. В 2018–2022 годах произошел еще один скачок (рис. 9). Авторы статьи отмечают, что для понимания этих колебаний необходимы дополнительные исследования.

Рис. 9. Аномалии площади морского льда в Арктике и Антарктике, выраженные в виде числа стандартных отклонений от среднего значения за период 1981–2010 гг. Тонкие линии обозначают месячные аномалии, а толстые — средние значения за 12 месяцев. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ocean-Land-Atmosphere Research

Неизвестно, как дальше будет развиваться и ситуация в Арктике. В последние пару лет там наметилась тенденция к стабилизации. По мнению авторов исследования, это связано с общей перестройкой арктического ледового цикла, который все больше начинает напоминать режим, наблюдаемый в Антарктиде. Этот цикл характеризуется ростом льда в течение холодного сезона и практически полным его исчезновением летом.

Если весь морской лед Арктики станет сезонным, а не многолетним, климатический режим в регионе заметно изменится, а температура в Северном полушарии еще больше повысится. Повлияет это и на характер атмосферных и океанских течений. По прогнозам ученых, если верхний слой воды в северной части Атлантического станет более пресным (за счет таяния ледников Гренландии и выноса морских льдов из Северного Ледовитого океана), замедлится или полностью остановится термохалинная циркуляция в этом районе, что может нарушить весь глобальный конвейер океанических течений.

Источник: Mohammed Shokr, Yufang Ye. Why Does Arctic Sea Ice Respond More Evidently than Antarctic Sea Ice to Climate Change? // Ocean-Land-Atmosphere Research. 2023. DOI: 10.34133/olar.0006.

Владислав Стрекопытов, Элементы.