Zapytaj Fizyka: o topnieniu lądolodów

Zapytaj Fizyka to strona internetowa, za pośrednictwem której naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego odpowiadają na pytania dotyczące fizyki. Internauci pytają nie tylko o zagadnienia związane z mechaniką kwantową czy czarnymi dziurami – dość często pojawiają się też pytania z dziedziny geofizyki. Pomocą służy wtedy – między innymi – profesor Szymon Malinowski z naszej redakcji. Poniżej przedstawiamy serię pochodzących z tego portalu pytań i odpowiedzi dotyczące takich kwestii jak topnienie lądolodów i lodowców oraz związane z tym zmiany poziomu morza.

Czy jest możliwe całkowite stopienie lodowców?

Czy jest możliwe całkowite stopienie lodowców, a jeśli tak, to jakie będą konsekwencje dla całej planety?

pyta Paulina

Odpowiada Prof. Szymon Malinowski:

Stopienie lądolodów Grenlandii i Antarktydy, które zawierają ok. 99% zasobów słodkiej wody na naszej planecie, jest jak najbardziej możliwe. Objętość lądolodu Antarktydy wynosi ok. 30 000 000 km³, roztopienie tej masy lodu podniosłoby poziom morza o mniej więcej 60 m. Lądolód Grenlandii to.trochę ponad 10% objętości lądolodu Antarktydy (co  przekłada się na ok. 7,4 m wzrostu poziomu morza w razie roztopienia). Lądolód Antarktydy zaczął się formować ok. 33,7 mln lat temu, po gwałtownym (w skali geologicznej) ochłodzeniu wskutek spadku koncentracji CO₂ w powietrzu z ok. 1000 ppm (ppm – cząsteczek na milion) do 500-600 ppm, spowodowanym wietrzeniem skał krzemianowych wypiętrzających się Himalajów. Poważny przyrost masy lądolodu Antarktydy i uformowanie się lądolodu Grenlandii wiąże się z kolejnym spadkiem koncentracji CO₂ do poziomu ok. 300 ppm ok.2,4 mln lat temu.

Wiele informacji na temat topnienia/przyrostu lądolodów przynosi analiza przebiegu zlodowaceń na przestrzeni ostatnich 800 tys. lat (odpowiedni wykres dostępny w materiałach ostatniego Raportu IPCC tu ).

Na wykresie przedstawiającym zmiany poziomu morza (najniższa linia) widać, że podczas okresów ochładzania poziom morza spadał (narastały lądolody, nie tylko Antarktyki i Grenlandii, ale formował się lodowiec nad Europą Północną i Północną Ameryką). Spadek ten wynosił ok. 100 m i zachodził w okresie ok. 70-80 tys. lat. Gdy lądolód się roztapiał, wzrost poziomu morza o tę samą wartość był znacznie szybszy, zajmował jedynie ok. 10-15 tys. lat. Jednocześnie wahaniom w zakresie 180-300 ppm podlegała koncentracja CO₂ – o związku tego zjawiska z temperaturą przeczytasz dokładniej w tekście Mit: To ocieplenie powoduje wzrost koncentracji CO₂ a nie na odwrót.

Aktualnie wpływamy na klimat w tempie znacznie przekraczającym naturalne zmiany z czasu powstawania lądolodów, czy fluktuacji związanych z epokami lodowcowymi. Wskutek spalania paliw kopalnych koncentracja CO₂ w atmosferze w ciągu zaledwie 150 lat wzrosła z ok. 280ppm do ponad 400ppm i aktualnie rośnie aż o blisko 3ppm/rok. Już aktualnie koncentracja CO₂ przekracza wartość sprzed 2,4 mln lat. Ten fakt, wraz z ostatnimi obserwacjami pokazującymi gwałtowne przyspieszenie topnienia i co ważniejsze – destabilizację lądolodów Antarktydy Zachodniej pozwala przypuszczać, że uruchomiliśmy procesy, które stosunkowo szybko (małe kilkaset lat) mogą doprowadzić do stanu czap lodowych jak 2,4 mln lat temu. Najnowsze prognozy mówią o wzroście poziomu morza o 2 m, a w ekstremalnym przypadku nawet 5 m do końca stulecia. Dalszy wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze (przy obecnym tempie zmian osiągnięcie koncentracji 1000 ppm zajęłoby ok. 200 lat) może doprowadzić do warunków podobnych do tych, jakie na Ziemi istniały ok. 50 mln lat temu: kompletnego zaniku lądolodów i podniesienia się poziomu morza o blisko 70 metrów.

Jaka jest objętość lądolodu Antarktydy?

W odpowiedzi (z 14 grudnia 2016) na pytanie „Czy jest możliwe całkowite stopienie lodowców, a jeśli tak, to jakie będą konsekwencje dla całej planety?” prof. Szymon Malinowski napisał: ”Objętość lądolodu Antarktydy wynosi ok. 30 000 000 km3, roztopienie tej masy lodu podniosłoby globalny poziom morza o mniej więcej 60 m”. Czy mógłby Pan prof. przedstawić wyliczenia w tej sprawie? Interesuje mnie szczególnie, jakie przyjął Pan założenia dotyczące ilości lodu nie znajdującego się na kontynencie, lecz otaczającego Antarktydę. Jak wiadomo większość lodu w górze lodowej znajduje się pod powierzchnią wody, więc wydaje się, że lód poza obrysem lądu ma bardzo poważny udział w całkowitej ilości lodu na Antarktydzie. Jednocześnie wiemy, że stopienie się pływającego lodu w żaden sposób nie wpływa na poziom wody w morzach i oceanach. Jakie założenia w tym względzie przyjął Pan w swoich oszacowaniach

pyta Krzysztof

Odpowiada prof. Szymon Malinowski

Wspomniane pytanie i odpowiedź na nie znaleźć można tutaj. Na początek zacznijmy od wyjaśnień. W Antarktyce występują trzy rodzaje lodu:

1. lód morski, powstający z zamarzania wody morskiej – jego powstanie bądź stopnienie nie wpływa na poziom wody morskiej;
2.  lądolód, czyli lód powstały z opadów śniegi na lądzie powyżej aktualnego poziomu morza – jego stopnienie bądź zsunięcie się po pochyłości do morza podniesie poziom wody; 
3. tzw. lodowce szelfowe (od ang. shelf -półka, nie mylić z szelfem kontynentalnym) — stosunkowo grube półki lodowe, pływające bądź częściowo opierające się na dnie, ich stopienie podniesie poziom wody w oceanie w wypadku gdy opierają się na dnie, a wypór nie równoważy ciężaru lodu.

Dokładny szacunek masy lądolodu oraz masy tej części lodowców szelfowych, która po roztopieniu wpłynie na podniesienie poziomu wszechoceanu jest możliwy dzięki temu, że nieźle znamy topografię kontynentu (a właściwie archipelagu i kontynentu) Antarktydy pod lądolodem i lodowcami szelfowymi. Najnowsza szczegółowa mapa tej topografii została wykonana w ramach projektu BEDMAP2 na podstawie kilku tysięcy zestawów danych pomiarowych zawierających ok. 25 milionów pojedynczych pomiarów. Same dane (ich rodzaj i jakość), sposób wykonania mapy oraz oceny niepewności opisane są w artykule naukowym „Bedmap2: improved ice bed, surface and thickness datasets for Antarctica” z 2013 roku. Artykuł jest otwarty, każdy może zapoznać się z metodyką pracy. Dane są dostępne dla każdego na stronach projektu BEDMAP2. Podsumowanie danych, zebrane w Tabeli 7 artykułu, pokazuje aktualne i poprzednie (projekt BEDMAP1) oszacowanie masy lądolodu i lodowców szelfowych oraz ich wkładu do wzrostu poziomu morza. W dłuższym okresie poziom morza może wzrosnąć jeszcze nieco bardziej z powodu ruchów izostatycznych — podniesienia się kontynentu antarktycznego, teraz przygniecionego lądolodem.

W odpowiedzi na pytanie informuję, że skorzystałem z często cytowanych przybliżonych danych, stąd „okrągła” liczba 30 000 000 km³. Według BEDMAP2 dokładne dane to: objętość lądolodu Antarktydy – 26 920 000 km3, wzrost poziomu morza wskutek stopienia tej objętości lodu – 58,3 m. Szacunki wzrostu poziomu morza wskutek stopienia wszystkich lodowców i lądolodów na Ziemi, wraz z odnośnikami do odpowiedniej literatury naukowej, dostępne są tu.

W jakim stopniu ruchy izostatyczne wpływają na poziom morza?

Mam dodatkowe pytanie, a w zasadzie zarzut do odpowiedzi na pytanie: „Jaka jest objętość lądolodu Antarktydy?”, które ostatnio ukazało się Waszej stronie. Teoretycznie w odpowiedzi wszystko ładnie policzono i wyszło, że poziom oceanów miałby się podnieść o 58 z przecinkami metrów. Problem jest tu jednak taki, że w obliczeniach nie uwzględniono relaksacji-wypiętrzenia lądu Antarktydy oraz zapadnięcia dna oceanów. Przecież Ziemia absolutnie nie jest sztywna i gdybyśmy dla porównania zmniejszyli ją do jajka to w dotyku nie przypominałaby jajka ze skorupką tylko takiego już po obraniu. Geolodzy do dziś mierzą efekty wypiętrzeń polodowcowych, np. Nowego Jorku, a zejście lodowca z Antarktyki musiałoby trwać bardzo długo i skalne góry urosłyby o ładne setki metrów. Czy mam rację?

pyta Adam B.

Odpowiada prof. Szymon Malinowski:

Odpowiedź na pytanie wspomniane w (powyższym) pytaniu znajduje się tutaj. Ma Pan rację co do tego, że ruchy izostatyczne też wpływają na poziom morza, w praktyce jednak zmiany są lokalne, a w skali globu średni poziom morza niewiele od nich zależy – rzędu drugiego, trzeciego miejsca po przecinku. Efekt wynurzania jest też w pewnym stopniu kompensowany naciskiem wody: dodatkowy ciężar oceanów powoduje ugięcie skorupy ziemskiej w dół pod nimi. Podsumowując: LOKALNIE ruchy izostatyczne mają znaczenie (np. dziś ciągłe wypiętrzanie Skandynawii czy Labradoru, w przyszłości Grenlandii czy Antarktydy), natomiast jeśli idzie o średni globalny poziom morza efekt jest niewielki. Więcej o tym i innych, momentami zadziwiających, czynnikach wpływających na poziom morza do poczytania po polsku znaleźć można w serwisie Nauka o klimacie.

Powyższy artykuł powstał we współpracy z portalem Zapytaj Fizyka.