По наклонной: смещение полюса Земли и грунтовые воды
Решение любой проблемы или задачи требует четкого понимания ее причин. Этот принцип применяется в любой сфере научных изысканий, от математики и физики до психиатрии и биологии. Обладая неполными, неточными или же устаревшими данными, мы можем прийти к неверному выводу и предпринять действия, которые могут усугубить. Когда речь заходит о чем-то глобальном, как экология планеты, точность становится критически важной. Одним из ярчайших признаков глобального потепления является увеличение уровня мирового океана. Обычно этот процесс ассоциируется с таянием ледников, вызванным деятельностью человека. Но есть еще один фактор, о котором говорят не так часто — откачка подземных вод. По некоторым оценкам мы откачали из-под земли порядка 2150 гигатонн грунтовых вод, что привело к повышению уровня моря на 6.24 мм. На первый взгляд цифра кажется до смешного мала, но стоит помнить — речь идет не о каком-то мелком водоеме, а о мировом океане. Еще один любопытный эффект откачки грунтовых вод — это смещение полюса Земли. Ученые из Американского геофизического союза (Вашингтон, США) разработали модель смещения полюса вращения Земли по данным перераспределения воды, которая может позволить более точно оценивать степень истощения подземных вод. Как именно подземные воды влияют на полюс, что происходит при их истощении, и насколько точна разработанная модель? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Повышение уровня моря является одним из наиболее значимых явлений, связанных с потеплением климата. В наши дни этот процесс тщательно отслеживается с помощью нескольких методов наблюдения. Например, в период с 2005 по 2015 спутниковая альтиметрия показала, что средний глобальный уровень моря (GMSL от global mean sea level) поднимался со скоростью 3.5 мм/год. Данные международной программы Argo показывают, что изменения плотности океана способствовали увеличению стерического GMSL примерно на 1.3 мм/год. Остальная часть (3.5 — 1.3 = 2.2 мм/год) вызвана увеличением массы океана, что подтверждается GRACE. GRACE также предоставляет оценки вклада отдельных океанских масс в повышение GMSL, связанных с ледниковым щитом Гренландии (GrIS от Greenland ice sheet), антарктическим ледниковым щитом (AIS от Antarctic ice sheet), горными ледниками и наземными водохранилищами (TWS от terrestrial water storage).
Вклад TWS в прошлом ошибочно воспринимался как вклад в уменьшение GMSL, поскольку изменения центра масс Земли (геоцентра) не учитывались должным образом при обработке данных GRACE. При надлежащем учете движения геоцентра изменение TWS считается значительным фактором повышения примерно на 0.3 мм/год. TWS в основном включает вклады от искусственных водохранилищ за плотинами, почвенной влаги и грунтовых вод. Увеличение числа плотин и соответствующее увеличение запасов воды смягчило рост GMSL с начала XX века. Следовательно, вклад TWS в повышение GMSL, вытекающий из данных GRACE, вероятно, будет связан с уменьшением влажности почвы и/или грунтовых вод.
До миссии GRACE ограниченные данные дистанционного и локального зондирования указывали на то, что увеличение запасов в искусственных резервуарах было источником снижения GMSL, в то время как таяние льда из AIS, GrIS и горных ледников способствовало повышению GMSL. Истощение подземных вод, смоделированное с помощью климатических моделей, было определено как значительный вклад в повышение GMSL, но отсутствие реальных данных не давало возможности подтвердить результаты этого моделирования.
Независимые ограничения на перераспределение водных масс обеспечиваются движением полюсов (PM от polar motion) — изменением положения полюса вращения Земли относительно земной коры. Подземные воды и другие источники поверхностного перераспределения массы (включая горные ледники, воду, хранящуюся в искусственных резервуарах, изменения массы AIS и GrIS и влажность почвы) влияют на PM.
PM управляется сферическими гармоническими изменениями степени 2 порядка 1 в гравитационном поле Земли, а также атмосферными ветрами и океанскими течениями, без участия стерических изменений уровня моря. Таким образом, как спутниковые гравиметрические данные GRACE, так и PM обеспечивают ограничения на масштабы и географическое распределение истощения подземных вод, при условии, что имеются хорошие оценки других факторов. Изменения в динамическом сжатии Земли (J2) также могут способствовать сдерживанию перераспределения массы воды, но обнаружено, что J2 относительно нечувствителен к истощению подземных вод.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые изучили изменения GMSL в период с 1993 по 2010 год с использованием данных и моделей для различных гидрологических источников. Ученые использовали соответствующие прогнозы и наблюдения за PM, чтобы понять оценки истощения подземных вод на основе климатической модели. Период исследования был выбран с учетом наличия как данных наблюдений, так и модельных оценок.
Подготовка к исследованию
Изображение №1
На графиках 1a и 1b показаны вклады AIS и GrIS в повышение GMSL соответственно. В течение периода исследования доступны две разные оценки. Красные линии основаны на методе потока массы, который включает радиолокационное дистанционное зондирование ледового стока и климатические модели баланса поверхностной массы. Синие линии взяты из данных программы IMBIE (от Ice sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise), которая объединяет дистанционное зондирование и различные модели регионального климата на обоих ледяных щитах. Оценки потоков показывают больший вклад AIS и GrIS в рост GMSL по сравнению с IMBIE. Изменения массы горных ледников оценивались гляциологическими и геодезическими наблюдениями с начала XX века. Три недавние оценки различных научных групп показаны на 1c.
Вклад трех основных компонентов TWS в изменение GMSL показан на 1d–1f. К ним относятся колебания влажности почвы (включая снеговую воду, второстепенный компонент), запруженные воды за плотинами и грунтовые воды. Вклад почвенной влаги демонстрирует выраженные межгодовые колебания, но незначительную тенденцию во времени. Плотины являются важной причиной снижения GMSL. Загрязненная вода в искусственных водохранилищах была оценена на основе глобальной базы данных, включая местоположения, максимальную вместимость и сроки завершения строительства для 7320 плотин с совокупной мощностью около 7000 км3 с 1900 года. Сюда также включены эффекты просачивания. Предполагается, что первый год эффекта просачивания после затопления составляет 5% от начальной максимальной мощности, затем он медленно растет пропорционально квадратному корню времени.
Данные по истощению подземных вод было получено с использованием глобальной гидрологической модели PCR-GLOBWB. Колебания грунтовых вод оказывают относительно большое влияние на повышение GMSL.
Изображение №2
Используя описанные выше данные об изменении массы наземной воды и льда, колебания уровня моря были оценены на основе сохранения массы между сушей и океанами с учетом эффектов самопритяжения и нагрузки (SAL от self-attraction and loading). На 2a показано общее истощение подземных вод за период анализа с 1993 по 2010 год. В северо-западной части Индии и западной части Северной Америки наблюдается значительное уменьшение запасов подземных вод.
В большинстве мировых океанов наблюдается повышение примерно на 10 мм, но падение уровня моря над Индийским и Тихим океанами, примыкающими к районам истощения грунтовых вод (2b), является следствием SAL, вызывающего снижение уровня моря вблизи районов с уменьшенным запасом водной массы на суше.
Изменение массы наземной воды (σL) и океана (σO) были преобразованы в коэффициенты сферической гармоники (SH от spherical harmonic) геоида:
Формула №1
где apω — радиус Земли, умноженный на плотность воды; (θ, λ) — широта и долгота; Plm — нормированный ассоциированный полином Лежандра; kl — число Лава.
Используя комбинированные поля масс [σL (θ, λ) + σO (θ, λ)], возбуждения PM (x1, x2) были рассчитаны из коэффициентов SH степени 2 (l = 2) порядка 1 (m = 1) с помощью:
Формула №2
где M — масса Земли, а C и A — главные моменты инерции Земли.
x1 и x2 в основном определяются изменениями наземных запасов с незначительным вкладом соответствующего повышения уровня моря из-за относительно равномерного распределения массы океана, как показано на 2b.
Результаты исследования
Сначала ученые сравнили временные ряды возбуждения PM (x1, x2) по наблюдениям с оценками всех известных источников возбуждений.
Изображение №3
Красными линиями на графиках выше показаны два компонента x1 и x2 из наблюдений за период с 1993 по 2010 год. Международная служба вращения Земли (IERS от International Earth Rotation and Reference Systems Service) предоставляет различные серии PM. Для исследования использовалась самая длинная серия — EOP C01 IAU2000. x1 и x2 выражены в миллисекундах дуги (мсд) по гринвичскому меридиану и 90° восточной долготы соответственно.
Синие линии показывают оценку (x1, x2) из всех известных источников изменения GMSL, показанных на изображении №1, а также влияние барометрического давления, давления на дно океана, ветра и течений.
Поскольку рассматривались две оценки вклада полярных ледяных щитов и три оценки горных ледников, для каждой GIA (от Glacial Isostatic Adjustment) оценки PM возможны шесть различных оценок (x1, x2).
Оценка, показанная синими линиями на изображении №1, использует изменения массы AIS и GrIS из данных программы IMBIE и изменения массы горных ледников из самой свежей оценки (2019 год), а также влажность почвы, запруженные воды за плотинами и подземные воды. Также учитывались эффекты барометрического давления, давления на дне океана, ветра и течений.
Наиболее высокочастотные вариации (x1, x2) объясняются изменениями барометрического давления, давления на дне океана, ветром и течением. Изменения возбуждения PM, связанные с потерей массы льда горными ледниками и Гренландией, показывают направленные изменения возбуждения PM, аналогичные предыдущим исследованиям 1998 и 2005 соответственно.
Графики выше показывают высокую степень согласованности между оценочными и наблюдаемыми (x1, x2). x1 показывает положительную тенденцию (3a), а x2 — небольшую отрицательную тенденцию (3b), вероятно, из-за GIA и перераспределения поверхностной массы. Стоит отметить, что если бы грунтовые воды (показаны черными линиями) не учитывались, расчетная тенденция x2 не соответствовала бы наблюдаемой. Важность вклада подземных вод в рост GMSL с 1993 по 2010 год более четко видна на полярном графике (изображение №4), который показывает как величину, так и направление.
Изображение №4
Каждый вклад синих линий из графика №1 отображен на 4a. Незначительные вклады в тенденции (x1, x2) от влажности почвы, атмосферного давления, давления на дне океана, ветров и течений не были включены. Красная стрелка показывает GIA PM, движущиеся к западному побережью Гренландии со скоростью 6.74 см/год. Вышеуказанные графики показывают, что истощение грунтовых вод является вторым по величине фактором, влияющим на тенденцию возбуждения PM. График 4b — это результат сравнения наблюдаемых и расчетных тенденций возбуждения PM.
Предполагаемая тенденция возбуждения PM представляет собой векторную сумму всех стрелок на 4a, дополнительно включая эффекты влажности почвы, барометрического давления, давления на дне океана, ветров и течений. Эллипсы представляют собой неопределенности скорости возбуждения PM, оцененные как сумма квадратов формальных ошибок в оценках тенденции при доверительном уровне в 95%. Сплошные синие и пунктирные стрелки показывают оценки возбуждения PM с грунтовыми водами и без них соответственно. За исключением подземных вод, расчетные и наблюдаемые тенденции возбуждения PM плохо согласуются. Разница значительно уменьшается, если включить подземные воды.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Оценки глобальной климатической модели показывают, что истощение грунтовых вод вносит значительный вклад в повышение GMSL (средний глобальный уровень моря). С момента запуска GRACE наблюдения за изменяющейся во времени гравитацией показали значительное истощение грунтовых вод и, как следствие, повышение уровня моря. До этого момента оценки GMSL также указывали на истощение грунтовых вод, но прямых наблюдений не было, а потому точных оценок ученые дать не могли.
По мнению ученых, независимым подтверждением вклада подземных вод в изменения GMSL могут служить изменения динамического сжатия Земли (J2) и движения полюсов (PM). Однако было обнаружено, что J2 не особенно полезен для этой цели из-за географии (низкие широты) водоносных горизонтов, которые были истощены в исследуемый период, и из-за неопределенности в прогнозах GIA относительно J2. А вот изменения PM оказались весьма чувствительны к изменениям грунтовых вод.
Было обнаружено, что истощение подземных вод было вторым по величине (4.36 см/год) компонентом тенденции возбуждения PM к 64,16° в. д. в период с 1993 по 2010 год. Ученые отмечают, что если не учитывать грунтовые воды в прогнозировании возбуждения PM, то полученная тенденция будет неверной, а точнее будет направлена западнее, чем есть на самом деле.
Пока сложно сказать, как данная информация может помочь в нормализации глобальной экологической ситуации. Однако сам факт этого исследования показывает, что для правильного прогнозирования какого-либо процесса или явления необходимы очень точные данные, учет всех возможных факторов влияния и подробный анализ. Попытки решить какую-либо задачу путем концентрации всех усилий на устранении или минимизации влияния лишь одного фактора не дадут желаемого результата, ведь другие факторы, которые ранее не учитывались, будут все также влиять на ситуацию.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
