Лекция Андрея Саламатина: как на образцах льда Антарктиды изучить климат Земли
Математика рассказывает, насколько велико антропогенное влияние на изменение температуры в Антарктиде. И есть ли оно вообще
Интернет-газета «Реальное время» начинает серию публикаций лекций, прочитанных преподавателями из разных областей знаний в стенах КФУ. Первую лекцию читает профессор кафедры прикладной математики Института вычислительной математики и информационных технологий КФУ Андрей Саламатин. Он рассказывает о том, как изучение льда в Антарктиде помогает понять изменение климата на планете Земля. Лекция называется «Что делает математика в Антарктиде?». Подробности — в материале «Реального времени».
Лед плавится, или Озеро Восток в Антарктиде
Выступление Андрея Саламатина состоялось в рамках тематических научно-популярных интенсивов «PRO Наука в КФУ» под названием «Ночной предел» и посвящалось математике и IT — в честь Года Лобачевского в КФУ. Профессор познакомил слушателей с недавно открытым крупнейшим подледным озером Восток в Антарктиде. Его фотографии и расположение на карте участники лекции смогли увидеть на слайдах. Лекторий виртуально переместился на ледяной материк.
Территория Антарктиды сплошь покрыта льдом. И если растопить его, то можно увидеть географическое положение (см. на 4.11 минуте) высот и низких мест этого холодного материка. Льды очень сильно придавили Антарктиду, если же их убрать, то материк поднимется. В тех местах, где была низменность, толщина льда больше, чем в районе гор.
Андрей Саламатин предложил посмотреть на Антарктиду из космоса в теневом исполнении (см. на 5.12 мин). На слайде видно восточную часть ледяного материка, которая считается «нашей». На ней находятся основные российские станции «Мирный» и «Восток», названные в честь шлюпов первой русской антарктической экспедиции Беллинсгаузена и Лазарева в воды Южного океана.
Именно в этом районе материка проводятся российские исследования. В 1995—1996 году, когда над Антарктидой запустили спутники, удалось увидеть необычное пятнышко — абсолютно плоское место на карте. Такую площадку можно наблюдать зимой на реке Казанке, если выйти на лед. Давно предсказывали наличие точки плавления подо льдом в этом месте, где лед контактирует с породами.
«Вы все понимаете, что внутри земля горячее, чем снаружи. Значит тепло, как на любой кухне, от более высоко нагретого места идет к холодному. Получается, что из земли всегда к поверхности поступает тепловой поток. И если вы накрываете его материалом, который хорошо изолирует тепло, то там начинает подниматься температура», — объяснил возникновение плавления льда в Антарктиде Андрей Саламатин. Все прогнозы показывали, что в обнаруженном плоском участке материка на глубине 4 км идет таяние льда. Хотя на поверхности ледника средняя температура достигает порядка 56 градусов, зимой опускается до 85 градусов, а летом до -50. Эти температуры почти не ощущаются, потому что не дует ветер.
В результате целенаправленных исследований в районе плоского места (8.19 мин) была обнаружена не просто точка плавления подо льдом, а огромное озеро. В длину оно примерно 280 км, а в ширину около 80 км. Глубина бассейна подо льдом достигает от 120 метров в северной части и до 1 км в южной части. Данное озеро носит название Восток.
Какие изменения климата предсказали льды Антарктиды
Андрей Саламатин поделился результатами радиолокационного зондирования поверхности и подледникового рельефа озера. Он также рассказал, что полярники дважды пробурили лед с поверхности до озера и доказали его наличие. Ученый показал слайд (13.43 мин) с результатами анализа керна (керн — образец горной породы, извлеченный из скважины посредством специально предназначенного для этого вида бурения,— прим. ред.). Он объяснил, что желтым цветом во льду обозначена пыль. В холодное время года количество пыли в миллионы раз больше, чем в теплое. Красным цветом на графике изображено количество дейтерия.
«Мы говорим, что вода — это Н2О, но это не совсем верно. На самом деле, у нас есть несколько вариантов водорода и несколько вариантов кислорода. И есть тяжелый водород, который называется дейтерий, он присутствует в воде. Дейтерий тяжелый и его молекулы пассивные. В виде пара с океана их выделяется гораздо меньше, и они гораздо быстрее оседают на дне», — объяснил Андрей Саламатин.
Поэтому, если климат характеризуется низкой температурой, то до центра Антарктиды долетает меньше дейтерия, а в теплый период дейтерия много. С помощью изучения кернов с озера Восток можно узнать, каким был климат миллионы лет тому назад и предсказать, как он изменится сейчас.
На рисунке радиолокации и зоны скольжения видны слои льда (см. 17.27 мин.). Они одного возраста. Но неизвестно, какого именно возраста и какой глубины. Данные озера Восток уникальны, они говорят о том, что лед неоднороден и что в разных слоях имеется разное количество пыли. В тех слоях, где больше пыли, лед мягче. Показать, где находятся мягкие слои льда, удалось благодаря моделированию (см. 19.21). Они повторяют слои, содержащие пыль, но в их центре еще не развились мягкие слои.
Такую структуру Андрей Саламатин сравнивает с тортом, прослойки которого промазаны неравномерно. Если такой торт двигать, то по слоям с кремом он поедет, а коржи с тестом деформироваться не будут. Именно так и течет лед. Этим удалось объяснить парадокс: казалось бы, разве лед может течь. Лед считался нелинейным веществом, и это правильно, добавляет Андрей Саламатин. Однако если нагружать его несильно, то лед начинает вести себя, как линейное вещество. И чем ближе ко дну озера, тем больше мягких прослоек льда.
Ученые решили измерить температуру в скважине, которую пробурили на поверхности озера Восток. Благодаря данным дейтерия они уже знали, что когда-то было холодно, но не знали, какой была температура, и главное, когда. Ученые составили графики изменения климата в прошлом и сравнили их с настоящим. Андрей Саламатин сделал выводы, что даже если бы на климат не влияла деятельность человека, то, судя по данным керна с озера Восток, потепление атмосферы все равно бы началось. И только через 200—300 лет на Земле похолодает.