научная статья по теме РЕГИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ЛЬДА ЧАСТЬ 2. ПОСТЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РЕГИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ЛЬДА ЧАСТЬ 2. ПОСТЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ»

Региональная модель динамики льда Часть 2. Постэкспериментальная обработка данных

О. Рыбак1,4, Ф. Хёбрехтс1,2, Ф. Паттэн3, Д. Штайнхаге1

1Alfred-Wegener-Institut fur Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, Germany; 2Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium; ^Université Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium; 4Сочинский научно-исследовательский центр РАН

Статья поступила в редакцию 6 июля 2006 г. Представлена членом редколлегии В.Н. Голубевым

Описан численный эксперимент, выполненный на основе региональной модели динамики льда для окрестностей станции Конен на Земле Королевы Мод в Антарктиде. Обсуждаются метод постэкспериментальной обработки данных и реконструированные характеристики потока льда.

Введение

Физико-химические характеристики антарктического льда, как известно, содержат косвенные данные о вариациях климата, циркуляции атмосферы и об изменении параметров биосферы на протяжении последних сотен тысяч лет. Антарктический лед формировался из влаги, поступившей из различных районов Мирового океана [4, 25], и вследствие этого его характеристики неоднородны в разных частях континента. Сопоставление данных анализа кернов, полученных в разных районах Антарктиды, дает возможность построить объективную картину глобальных изменений в прошлом.

В последнее десятилетие было выполнено глубокое бурение Восточно-Антарктического щита на четырех удаленных друг от друга станциях — Восток, Купол С, Купол Фуджи и Конен. Последняя была выбрана не в последнюю очередь потому, что современная скорость аккумуляции здесь [17] в среднем втрое выше, чем в районах трех других станций [5, 6]. По некоторым данным, такое же соотношение между

скоростями аккумуляции (примерно 3:1) сохранялось и в прошлом. Относительно высокая скорость аккумуляции в районе станции Конен означает, что временное разрешение в рядах физико-химических характеристик льда в керне будет более подробным для последнего ледникового цикла.

К настоящему времени проанализирован изотопный состав льда в 9/10 керна [7]. Чтобы использовать результаты в качестве индикатора изменений климата, требуется решить две задачи. Первая заключается в датировании льда в керне. Непосредственный подсчет годовых слоев льда возможен лишь до горизонта возрастом приблизительно 20 тыс. лет, ниже которого различия физических и химических свойств между слоями отдельных лет стираются. Для определения возраста льда ниже этого горизонта прибегают к синхронизациям одинаковых событий, зафиксированных в различных кернах (например, вулканических извержений) или к датировке с помощью изотопов, скорость накопления которых условно считается постоянной (10Ве) и т.д. Слабость метода синхрони-

зации очевидна — ошибка, допущенная при датировании события в одном керне, автоматически переходит на другой. Соответственно уточнение датирования по одному керну требует аналогичного уточнения по другому. На недостатки, свойственные в целом всем методам синхронизации рядов случайных данных, указано, в частности, в [27].

Относительно независимое датирование возможно с помощью методов, в основе которых лежит математическое моделирование. Говоря об относительной независимости, мы имеем в виду, что практически все модельные методы (за исключением простейших [3, 8, 16]) в той или иной форме включают привязки к реперным событиям («временные окна» в [18]), используют «орбитальный тьюнинг», т.е. подгонку модельной временной шкалы под периодичность циклов Миланковича [21], иногда в качестве климатического форсинга модели вводят изотопные ряды [10, 11], которые в свою очередь были датированы с использованием методов, основанных на априорной информации (см. выше). Видимо, в настоящее время не существует такого метода, который позволил бы получить совершенно независимую абсолютную временную шкалу для датирования ледяных кернов. Достоинство модельного подхода заключается в том, что он позволяет свести к минимуму субъективность оценок возраста льда, свойственную методу синхронизации.

Вторая задача связана с географическим положением станции. В отличие от других мест глубокого бурения, расположенных близко к вершинам куполов, где адвекция льда минимальна, станция Конен находится на склоне очень пологого гребня, где скорость потока на поверхности в настоящее время оценивается в 75 см/год [26]. Следовательно, при реконструкции ряда палеотемпературы воздуха по изотопным данным необходимо учитывать, что лед на месте современного керна сформировался выше по течению потока. Реконструировать эволюцию топографии щита и скорость потока можно только с помощью математического моделирования.

В части 1 настоящего исследования [1] была представлена региональная модель динамики потока льда в ограниченной области на Земле Королевы Мод, а также полученное с ее помощью современное поле скоростей его движения. В части 2 рассматривается модификация численного эксперимента. В качестве климатического форсинга на последнем этапе моделирования используется температурный климатический сигнал, реконструированный по изотопному ряду, полученному на основе анализа керна со станции Конен. В рамках эксперимента решается проблема восстановления топографии щита и динамических характеристик потока вдоль траекторий движения частиц льда. В этих целях задача разбита на две части — собственно моделирование эволюции щита, или форвардный эксперимент*, рассмотрен-

ный в [1], и постэкспериментальная обработка данных модельных расчетов.

В настоящей работе мы рассматриваем последний этап численного эксперимента, который охватывает период длительностью 170 тыс. лет. Восстановление динамики потока в более далеком прошлом требует дополнительных исследований. Сложность анализа придонной части керна состоит в том, что деформации и возраст льда здесь определяются скоростью базального таяния, т.е. в конечном итоге потоком геотермического тепла (О). Однако детальное пространственное и временное распределение О неизвестно. Нельзя исключить, что принятое в [1] среднее для Антарктиды значение О = 56,4 мВт/ м2 не является точным для окрестностей станции Конен [15]. Предварительные модельные расчеты показали, что станция Конен расположена на самой границе зоны потенциального базального таяния [11]. Как показала серия численных экспериментов [12], увеличение О на 10% привело бы к потере 200-метрового слоя льда за счет базального таяния в течение 400 тыс. лет, а, следовательно, к значительному омоложению льда в нижней части керна.

К настоящему времени методом синхронизации физико-химических характеристик льда с данными анализа керна, полученного на станции Купол С, датирована большая часть керна со станции Конен (шкала EDML1 [7]). При всех недостатках метода синхронизации и по сути дела отсутствии других способов независимого датирования керна мы посчитали возможным использовать ряд ё180 для построения ряда климатического форсинга. В масштабах одного климатического цикла неточности датировки не будут играть существенной роли, но амплитуды вариации палеотемпературы непосредственно в районе исследований позволяют гораздо точнее рассчитать скорости палеоаккумуляции по сравнению с аналогичными расчетами, выполненными на основе анализа другого керна.

Модификация температурного форсинга в численном эксперименте

Цель модификации температурного форсинга заключалась в итеративном включении в численный эксперимент изотопных данных, полученных по керну со станции Конен. В соответствии с этим модельный эксперимент проводился в три этапа. Первый этап полностью соответствовал методике, описанной в [1]. Его результаты послужили для исключения неклиматического (топографического) эффекта из климатического сигнала в изотопном ряду, который предполагалось использовать как основу для температурного форсинга на следующем этапе [11].

На протяжении всей истории топография поверхности ледникового щита Антарктиды постоянно менялась. Его поверхность испытывала вертикальные

* От англ. forward, имеется в виду эксперимент, направленный «вперед» по временной оси из прошлого.

движения, вызванные увеличением или уменьшением количества осадков, а также вследствие прогибов литосферы под воздействием меняющейся массы щита. Согласно [13], приземная температура практически линейно связана с температурой у верхней границы температурной инверсии, которая в свою очередь служит регулирующим фактором в процессе фракционирования изотопов кислорода и водорода во время формирования атмосферных осадков. Таким образом, увеличение абсолютной высоты места приводит к снижению как приземной температуры, так и температуры у верхнего слоя инверсии. Это значит, что температура воздуха, косвенно зафиксированная в изотопном составе любого ледяного керна, менялась не только вследствие глобальных колебаний климата, но и под влиянием факторов, не связанных напрямую с климатом. Иными словами, восстановленный температурный ряд содержит климатический сигнал "плюс" неклиматическое смещение.

Для керна, полученного на станции Конен, исключения локального топографического эффекта недостаточно для выделения климатического сигнала, так как здесь нельзя пренебречь адвекцией льда. Согласно предварительной грубой оценке, лед, возраст которого составляет 120 тыс. лет (предыдущее межледниковье), прошел путь не менее 80 км выше по течению, а лед в более глубоких слоях еще больше. Осадки, образовавшие этот лед, сформировались над поверхностью щита, которая находилась выше места бурения на десятки и сотни метров. Таким образом, величина вариаций ё180 и SD в керне будет обусловлена наряду с прочими факторами и тем, что температура выше по течению льда была ниже как следствие разницы абсолютных высот. Соответственно, чтобы аккуратно рассчитать величину климатического сигнала, необходимо, помимо исключения локального топографического эффекта, исключить и адвективную составляющую (адвективный топографический эффект).

Проблема использования локального форсинга в численном эксперименте представляет собой, очевидно, замкнутый круг: для того, чтобы пересчитать изотопный ряд в ряд климатических вариаций температуры, следует исключить из него

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком