Эрик Риньо пришел к изучению льда не через альпинизм или геологию, а через математику. Как утверждали его учителя во Франции, обучение математике обеспечивает хорошую карьеру. В его случае так и было: математика позволила ему заниматься интересовавшими его темами в области инженерии, аэронавтики и астрономии. В середине 1980‐х годов Риньо увлекся новым направлением исследований, связанным с получением спутниковых изображений. В 1972 году начала действовать программа Landsat, благодаря которой с запуском каждого нового спутника ученые получали все более и более точные изображения Земли[1]. Вдохновленный этими новыми возможностями, Риньо устроился на работу в Лабораторию реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) в Пасадене в Калифорнии. Лаборатория известна разработкой спутников и космических зондов, а еще там ведутся самые передовые работы в области дистанционного зондирования.
Когда Риньо присоединился к исследовательской группе в JPL, шеф предложил ему поработать на льду. Риньо не был уверен, что ему этого хочется. Как он мне рассказывал, ему показалось, что он просто не понравился шефу и тот решил отправить его работать на ледник. Но за время, проведенное в лаборатории, Риньо убедился, что спутниковое дистанционное зондирование может в корне изменить наше понимание поведения ледяных щитов Гренландии и Антарктики. В идеале спутники позволяют ученым видеть и анализировать одновременно целые ледники, открывая такие возможности, которые недостижимы другими способами из‐за сложности организации полярных работ. Кроме того, развивавшиеся новые технологии спутникового наблюдения позволяли видеть лед по‐другому, и даже при облачной погоде.
Риньо включился в работу, будучи настроен скептически, но оказался в правильном месте в правильное время и занимался правильными вещами. Оглядываясь на начало своего пути тридцать лет назад, Риньо рассказывал: “Довольно скоро я понял, что нашел золотую жилу – технология удаленного зондирования позволяла получать информацию, которая в корне изменяла наше понимание льда”. Многое из того, что мы, как нам казалось, знали о ледниках и об их реакции на климатические изменения на планете, оказалось неверным.
В начале 1990‐х годов астрономы из лаборатории JPL разработали технологию для измерения слабых движений поверхности Земли. Импульсы радаров из космического спутника отражаются от Земли и вновь достигают спутника. При многократном измерении сигналов из одной и той же точки комбинированный ответ может дать информацию о скорости перемещения объектов на поверхности. Эта техника настолько точна, что позволяет из космоса регистрировать миллиметровые сдвиги на земле. Для Риньо этот метод стал новой парой очков: он позволял анализировать весь ледяной мир и его перемещения.
Между 2007 и 2009 годами Риньо и его группа в JPL, а также NASA и международные космические агентства использовали спутниковые данные для детального анализа движений льда на всем Антарктическом континенте. Это работа примерно такого же масштаба, как если бы мы на протяжении двух лет ежедневно отслеживали перемещение воды на всей территории Соединенных Штатов. Измерения позволили получить гигантский массив данных, которые затем обрабатывали и визуализировали с помощью мощнейших компьютеров в Калифорнийском университете в Ирвайне. Спутниковые данные, представленные в графическом виде, отражали движение льдов по всему континенту. Было известно, что ледники не неподвижны, но характер их перемещения оказался неожиданным. От центра континента на тысячи километров к берегу текли потоки льда, которые из космоса походили на реки шириной от восьми до пятнадцати километров.
Эрик Риньо
По мере продвижения эти ледяные реки разделялись на рукава, вливавшиеся в океан. Такие коридоры подвижного льда могли иметь глубину до 180 метров и смещаться почти на километр за один год.
Как на карте Северной Америки, полученной из космоса, видны реки, тянущиеся от Континентального водораздела к океанам на обоих берегах, так на спутниковых изображениях антарктических льдов проявились реки льда, движущиеся от внутренней части континента к окружающим его океанам. И эти течения существуют на протяжении тысячелетий.
Спутниковая съемка показала, что весь ледяной щит Антарктики находится в постоянном движении от центра континента к океану. Если установить булыжник на Южном полюсе и наблюдать за ним год за годом, через сотню лет он окажется в океане. Когда лед ударяется о горный хребет или какую‐то другую преграду, лента конвейера продолжает двигаться и обтекает препятствие, поднимая при этом часть льда с самых больших глубин. В этих местах возникают трещины, расщелины и ледяные уступы, где лед образует складки и петли.
Спутниковые данные вызвали у Риньо и его коллег новый вопрос: ледяные щиты постоянно движутся к береговой линии, причем довольно быстро, но какой механизм контролирует скорость скольжения, нарастания и плавления льда?
Гляциологи рассчитали размеры ледника, который должен нарастать ежегодно, чтобы процессы восстановления и плавления льда находились в равновесии. Кроме того, лед, как речная вода, под действием силы тяжести стекает сверху вниз; новый снег на больших высотах год от года становится все компактнее и сползает в долины. Когда ледник спускается вниз, лед плавится, крошится по краям и испаряется прямо из твердого состояния под действием ветра. Потепление приводит к тому, что на вершинах накапливается меньше снега, а внизу лед плавится, крошится и испаряется быстрее. При прочих равных условиях ледники сползают вниз с большей скоростью, и их размер сокращается. При похолодании наблюдается обратная ситуация.
Новый снег, сохраняющийся в течение года, увеличивает объем ледника, а плавление на поверхности и сползание вниз его уменьшают. Доведя эти рассуждения до логического конца, приходим к выводу, что сокращение размера ледников в более теплом климате происходит за счет того, что лед плавится на поверхности и образующаяся вода стекает в океан. Когда планета остывает, плавление льда и стекание воды прекращаются, а снег на поверхности накапливается, что позволяет ледникам расти.
Однако спутниковая съемка продемонстрировала нечто иное. Лазерные импульсы в лед из космоса позволяют делать не только моментальные снимки, отражающие состояние поверхности льда, но также следить за изменением толщины ледников. С учетом этих данных за месяцы и годы можно определить, где и с какой скоростью плавятся ледники и сокращается их объем. Эти уточненные измерения показали, что новый снег, конечно же, ложится каждый год. Однако главные изменения массы ледяного щита и состояния выступающих из него ледников происходят не из‐за плавления льда на поверхности. Анализ показывает, что только 5 % потерь антарктического льда объясняются этим механизмом. Но если плавление поверхностного слоя льда на континенте вносит лишь незначительный вклад в изменения размеров ледника, что же происходит?
Лазерные сигналы позволили установить, что потеря льда на ледниках происходит не повсеместно, а сильно локализована. Самые значительные изменения толщины льда, указывающие на максимальную скорость плавления, происходят вдоль береговой линии, где лед контактирует с океаном. Отсюда эти изменения распространяются внутрь континента, к центру ледяного щита. “Функция” ледяного щита заканчивается там, где он встречается с теплой океанской водой.
Другие исследовательские программы позволили раздобыть новые фрагменты пазла. Спутниковая миссия GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), осуществляемая совместными усилиями NASA и немецкого космического агентства DLR, была предпринята в 2002 году для выполнения интересного проекта. На орбиту Земли на расстоянии 500 километров от поверхности были выведены два спутника, прозванных Том и Джерри. Они вращаются вокруг Земли, находясь на расстоянии 225 километров друг от друга, причем один следует за другим (судя по всему, Том гонится за Джерри). Спутники посылают друг другу микроволновые импульсы, что позволяет исследователям измерять расстояние между ними. Разрешение этих микроволновых измерений просто потрясающее: они позволяют регистрировать изменения расстояния в диапазоне микрометров – одной тысячной метра. Спутники движутся по орбите и поэтому находятся под влиянием гравитационного поля Земли. В областях с большими скоплениями массы, таких как толстые ледяные щиты, спутники испытывают более сильное гравитационное воздействие, чем в областях с тонким слоем льда. Когда спутники пролетают над участками более толстого льда, передний удаляется от заднего. А когда первый спутник выходит из этой зоны, его движение вновь замедляется. И тогда уже второй спутник ускоряется под действием гравитационного поля, а потом так же замедляется, покидая эту область. Когда два спутника удаляются друг от друга или сближаются под действием гравитационных полей, микроволновые сигналы позволяют измерить расстояние между ними. Эти изменения расстояния помогают ученым на Земле определять расположение областей с большим гравитационным полем (и, следовательно, большей массой льда) и с малым гравитационным полем. Спутники отслеживают силу гравитации и массу 24 часа в сутки, семь дней в неделю и 365 дней в году. И теперь у нас есть непрерывные записи изменений массы полярных льдов за весь этот период. Риньо называет данные, посылаемые GRACE, “погодным отчетом” об изменениях массы льда в Антарктике и Гренландии.
Спутниковые измерения массы льда, скорости передвижения льда и уменьшения слоя льда в разных областях позволили нам лучше понять динамику поведения ледяных щитов. На побережье лед встречается с морем, а жидкая вода с твердым льдом. Здесь происходит самое активное таяние, поскольку сравнительно теплая океанская вода делает кромку льда тоньше, разрушает ее и сбрасывает в море. Таяние льда может происходить и снизу, когда теплая океанская вода проникает в ледник между каменным основанием и льдом. Этот процесс запускает цепную реакцию: чем сильнее разрушается кромка, тем быстрее потоки льда выносят лед из центра на периферию, так что еще больше льда приходит в контакт с теплой океанской водой. Толщина некоторых прибрежных ледников, таких как ледник Кадмана, за один год сократилась на восемнадцать метров, что сравнимо с высотой пятиэтажного дома. Исторические данные позволяют оценить эти новые результаты в перспективе. В 1800‐е годы альпинисты и естествоиспытатели заметили странное поведение льда и камней в альпийских горах. Они обратили внимание, что долины, в которых располагаются ледники, шире ледников, и на этом основании сделали вывод, что в прошлом ледники заполняли долины целиком, но впоследствии сократились по площади. Альпинистов также интересовали разбросанные по долинам массивные валуны, которые отличались от других камней на местности. Они предположили, что за длительные промежутки времени ледники приходили и уходили, формируя пейзажи и перемещая на своем пути камни и землю. Эта теория передвижения ледников получила распространение, и стало принято считать, что ледники постепенно сформировали многие знакомые нам пейзажи – от Великих озер и Кейп-Кода до альпийских долин и скандинавских фьордов и берегов.
Выражение “ледяной темп” можно использовать для описания чего‐то неповоротливого или трудного. Оно может относиться к унылой бюрократической проволочке или долго ожидавшимся изменениям, однако оно совсем не передает динамику поведения ледников. Риньо и его коллеги увидели, как ледяные пласты размером с североамериканский континент вытекают реками со скоростью более полукилометра в год, причем мы не всегда понимаем, каким образом это происходит. Вообще говоря, в 1800‐е годы ученые, работавшие на альпийских ледниках, уже обнаружили доказательства, что лед способен быстро двигаться и изменять форму. Один ученый заметил, что лед, на котором стояла его экспедиционная палатка, сползал все ниже каждый год, когда он возвращался для продолжения наблюдений. Позднее другие ученые установили, что лед движется почти с такой же скоростью, как показали спутниковые данные Риньо: они вбивали в лед на ледниках колышки и ежегодно следили за их перемещениями. Тот факт, что лед передвигается чрезвычайно быстро, оказывает влияние на весь окружающий мир и на то, как мы его постигаем.
В следующих главах мы поговорим о том, как движущийся лед формирует наш мир. Когда лед растет, сжимается и течет, он создает новые среды обитания для живых существ. Часто жизнь адаптируется к расширению и сжатию ледников весьма неожиданным образом: в экстремальных условиях возникают удивительные новые формы жизни. Кроме того, поскольку попавшие в лед предметы сохраняются там на протяжении тысячелетий, движение ледников позволяет открывать историю Вселенной. И, как мы увидим, быстрые перемещения льда способны изменить планету с такой скоростью, что это скажется уже при нашей жизни.