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许多冰山从南极洲的松岛冰川上分离出来。 资料来源:tado / Alamy Stock Photo。
客人的帖子
2021年4月647

嘉宾帖子:确定南极洲松岛冰川的三个“引爆点”

塞巴斯蒂安博士乐观

塞巴斯蒂安博士乐观

06.04.2021 | 11:47am
客人的帖子 嘉宾帖子:确定南极洲松岛冰川的三个“引爆点”

对我们大多数人来说,南极洲似乎很遥远,但这块遥远的大陆上的冰足以使全世界的海平面上升几十米。它的命运对世界各地的沿海地区以及居住在这些地区的数十亿人有着重要的影响。

目前冻结在南极冰盖中的冰通过冰河流入海岸,这被称为冰流或冰川。这些冰的流动速度比周围的冰快得多。

许多耗尽南极冰盖的大型冰川的加速退缩被称为“动态冰流失”。它仍然是全球最大的不确定性来源未来海平面上升的预测(pdf)。

令人担忧的一个原因是,持续的全球变暖可能会导致一些冰川跨越一个“冰河”。引爆点"被称为"海洋冰原不稳定性”。引爆点是一个临界点,一个小小的、渐进的变化就可以将一个系统推向一个全新的状态。

对于气候预测来说,能够确定是否以及何时会越过临界点至关重要,因为由此产生的变化实际上是不可逆转的。一旦突破,即使把温室气体排放降低到工业化前的水平,也可能不足以弥补损失。

在一项新的研究中,发表在冰冻圈,我和我的合著者在南极西部巨大的松岛冰川的模型模拟中确定了三个不同的引爆点,如果它们被跨越,可能会导致迅速和不可逆转的退缩。我们还表明,当阈值接近时,存在潜在的预警指标。

引爆点和滞后

要使冰盖不造成海平面上升,就必须在由于海洋融化和冰山断裂或“崩解”而造成的冰盖损失和通过降雪而增加的冰盖数量之间保持平衡。

在海洋冰原中,如南极洲西部,冰位于海平面以下的地面上。在这种情况下,就会出现这样一种情况:冰盖的退缩变得可以自我维持,使冰盖更加失去平衡。这种“正反馈”被称为海洋冰原不稳定性(MISI)。

海洋冰原很容易受到MISI的影响,但正反馈使这个过程成为引爆点,这是由内部冰动力学驱动的,对当地和远场条件都很敏感。这使得很难对冰川是否跨越了临界点进行分类。

像MISI这样的引爆点是“滞后环”的一个例子,在这种情况下,系统对条件变化的响应取决于该变化的历史。

下图展示了一个系统(比如冰川)对一个强迫力(比如海洋变暖)的不同反应方式。例如a),系统以近似线性的方式响应,对一个大的强制(红色箭头)有一个小的响应,如果强制反转(蓝色箭头),它可以直接恢复。对于冰川来说,这意味着当变暖会导致冰川退缩时,冷却会停止——并最终逆转——退缩并看到冰川重新形成。

在例子b)中,系统对一个小的强迫有一个大的响应,但是它仍然可以直接恢复。

然而,在c)中,系统有两个可能的状态(x1和x2)。当跨越一个临界点时,系统会跳到滞后环的一个不同分支上,并且返回到之前的分支变得非常困难。这就是滞后现象。

对于冰川来说,这可能意味着越过一个临界点,即使全球变暖停止,它也会继续退缩到一个新的、小得多的状态。而且,一旦到了这个新状态,全球气温的下降幅度要大得多,冰川才能重新生长。

系统对控制参数扰动的可能响应
系统(例如冰川)对控制参数(例如变暖的海洋)扰动的可能响应。系统可以A)以线性方式响应扰动,该扰动可以通过强迫的反转直接恢复;B)对小扰动有很大的响应,但仍然可以直接恢复;C)对一个不可逆的小扰动有一个大的响应(滞后行为)。资料来源:Rosier等人(2021)。

重要的是,值得注意的是,仅仅观察一个系统中快速而巨大的变化,并不一定意味着已经跨越了临界点。相反,这一变化的逆转可能仍然会导致响应出现同样大的逆转,如上图b)所示。

南极洲脆弱的下腹部

南极洲西部的阿蒙森海地区尤其令人关注近几十年来冰量迅速减少。在这里,温暖的洋流被输送到大陆架,并一路到达冰川的接地线,比如松岛冰川(PIG)。

(接地线是位于海床上的冰川变成漂浮在水面上的冰架的点。这是冰盖最容易受到气候变暖影响的地方。随着冰川变薄,更多的冰将离开海床漂浮起来,造成接地线撤退。)

简化的接地线示意图。
简化的接地线示意图。信贷:AntarcticGlaciers.org,在Creative Commons 3.0执照。

此外,猪和邻居Thwaites冰川被认为容易受到MISI的影响。事实上,猪一直被称为“薄弱的地方南极西部冰原。

科学家们争论了一段时间PIG可以跨越临界点或者已经有了。然而,要想在冰原模型中证实这一点,通常需要非常耗时的模拟,要看到数千年后的未来。

1000公里

南极

半岛

朗尼

南极东部

冰盖

松岛冰川

南极

南极西部

冰盖

横贯山脉

阿蒙森海

Thwaites冰川

罗斯冰架

图形:碳简短。金宝搏bet188资料来源:qu南极洲/挪威极地研究所。

因此,有大量的冰盖模型试图量化猪对未来海平面上升的影响,但没有一个模型能严格确定冰川是否会越过临界点。幸运的是,一种在其他领域越来越流行的方法可以为临界点行为提供有用的见解。

预警指标

研究这表明,一般来说,当系统接近某些类型的引爆点时,它们对扰动的反应开始变得更缓慢。

这种行为被称为“临界减速”,可以使用被称为预警指标(EWIs)的统计工具来检测它。这可以提供一个即将到来的转折点的早期预警。此外,这种关键的放缓一直持续到达到极限(临界点本身),因此可以作为一种预测工具。

这种现象的完全普遍性——以及引爆点在许多领域的普遍存在——意味着EWIs很快就找到了各种各样的应用。在此之前已经发现了严重放缓的迹象野生动物种群崩溃,癫痫发作金融市场崩溃,举几个例子。

话虽如此,但并不能保证临界减速总是可以被检测到。在这方面,冰原及其冰川构成了一个特殊的问题,因为它们通常在很长一段时间内对变化作出反应。

这意味着目前的观测记录-基本上是开始卫星时代-不太可能长到足以在现有数据中找到这些信号。因此,另一种选择是观察模型模拟

松岛冰川的引爆点

我们的研究首次使用了最先进的PIG模型模拟来详细探索这些想法。

冰盖模型是由缓慢上升的温度驱动的,海洋条件的变化被设计成与自然变化密切相关。模型调整以适应这种可变性所需要的时间增加——即临界减速——在仿真的几个点上可以明显地检测到,这证实了EWIs可以应用于MISI。

通过长时间运行该模型,我们验证了这种反应,表明这些快速退缩的时期(被EWIs确定为临界点)对应着滞后行为,最终导致了不可逆转的冰损失。

我们的研究结果是第一个严格地证明PIG确实在应对不断变化的海洋条件时跨越了引爆点。

你可以在下面的地图和图表中看到这些。顶部的两幅地图显示了三个引爆点前后猪的模拟地面位置的俯视视图。底部的图表说明了在MISI事件中接地线撤退和增强熔体的剖面图。

松岛冰川的海洋冰原不稳定事件。
松岛冰川的海洋冰原不稳定事件。图a)显示了三个由misi驱动的冰川崩塌前后的地面线位置,而b)显示了初始事件的放大(彩色线)。彩色地图表明最初的模型冰速度和模型域边界是由一个虚线黑色轮廓在面板上表示。图(c)和(d)显示一个横断面的主干猪,计算两者之间的平均属性冲洋红色线(b)。垂直部分沿横断面显示(c)在初始稳态通量(“秦”和“Qout”)是在平衡和(d)斯事件撤退导致Qout增加,推动冰川失去平衡,导致进一步退缩。资料来源:Rosier等人(2021)。

有趣的是,EWIs能够探测到三个明显的临界点,其特征是冰的迅速流失——包括两个较小的临界点,随后是一个导致冰川完全崩塌的大事件。如果没有EWIs的帮助,早期两个临界点的存在很容易被忽视,但由此导致的冰损失是不可逆转的这一事实是非常相关的。

如下图所示,显示了猪在超过每个临界点(用蓝点编号)后,如何经历快速、自我维持和不可逆转的质量损失时期。实线是模拟的质量损失(在海平面当量中),而虚线表示前面描述的滞回特性。

右边的图表显示了在更大的转折点(事件3)之前的模型反应的放大视图,并显示了我们为早期预警指标分析的三个窗口(红色条纹)。

以海冰-海洋界面的融化速率为函数的海平面当量冰量的系统状态变化
以海冰-海洋界面的融化速率为函数的海平面当量冰量的系统状态变化。a)模型以缓慢增加的基础熔体速率(实心黑线)运行,并显示出三个明显的引爆点(蓝点)。从瞬态模拟开始到第三个引爆点大约是10kyr。在前进和后退的配置中,给定熔体速率的稳定状态被绘制为灰虚线,细节显示在面板b)。箭头表示滞后的方向。面板b)侧重于更大的引爆点(事件3)之前的模型反应,并显示了我们分析的三个窗口,作为红色阴影框的预警指标。资料来源:Rosier等人(2021)。

模型模拟也提供了一个很好的预测,当这些临界点将越过,因为它们趋向于一个临界值在大约正确的时间。

在这个模型研究中,相当于海洋温度变化+1.2摄氏度的融化增加足以使PIG从稳定状态完全崩溃。

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这回避了一个问题:全球变暖的程度会导致如此大规模的温度变化吗?不幸的是,南极洲周围的洋流将如何变化是一个非常具有挑战性的话题,目前占据了大量科学家。

然而,随着全球气温的上升,预计PIG和邻近的冰川将更频繁地受到暖流的影响,使得这种规模的变化越来越有可能发生。

此外,南极洲周围的洋流可以自己穿过引爆点这使得以前远离温暖海水的大片区域暴露在与阿蒙森海类似的环境中。在第二篇新论文中,发表于自然通讯,我和我的合著者展示了这种对变暖反应的复杂性,即冰川上最初较冷的水域在温度急剧上升之前。大气,冰和海洋之间的相互作用很难建模,但是一个系统的引爆点触发另一个系统引爆点的可能性引爆级联-提出了一个非常真实的风险,在这个领域需要更多的研究。

社会引爆点

研究关于人类如何集体应对临界点类型的事件的研究告诉我们,威胁距离的不确定性在决定群体是否能够成功地合作避免它方面起着关键作用。

如果该组织能高度确定威胁在哪里,他们将更有效地处理它。事实上,从合作到不合作的变化已被证明成为“社会临界点”,不确定性的增加超过了某个阈值,就会导致从一个点突然转向另一个点。

南极的困难在于,由于相对缓慢的变化速度和目前对海平面的贡献,可能对许多人来说并不是非常令人担忧,威胁似乎非常遥远。

然而,由MISI驱动的引爆点的存在意味着,随着排放的继续,我们可能会承诺,几个世纪以来持续的冰损失累积到非常显著的海平面上升。

因此,这是冰川学家继续努力更好地理解MISI等过程以及这些引爆点未来可能在哪里的强大动机。

Rosier, S. H. R.等人(2021):松岛冰川、南极西部、冰冻圈、doi: 10.5194 / tc - 15 - 1501 - 2021

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