Исследователи из Технологического института Джорджии разработали математическую формулу для прогнозирования размеров озёр, которые образуются на тающих ледяных покровах. Они обнаружили, что глубина и площадь этих озёр связаны с топографией самого ледяного покрова.
Команда использовала физику, компьютерное моделирование и спутниковые снимки, чтобы разработать простые математические уравнения, которые можно легко интегрировать в существующие климатические модели. Это первый в своём роде инструмент, который уже улучшает климатические модели.
«Озёра с талой водой играют важную роль в стабильности ледяных покровов, но ранее у нас не было ограничений на то, каким может быть их максимальный размер в Антарктиде», — говорит руководитель исследования Даниэль Грау, доктор философии в Школе наук о Земле и атмосфере. «Меня заинтриговала идея количественной оценки того, какую роль мы могли бы ожидать от них в будущем».
Статья под названием «Predicting mean depth and area fraction of Antarctic supraglacial melt lakes with physics-based parameterizations» опубликована в журнале Nature Communications.
Помимо Грау, в исследовательскую группу входят профессор Школы наук о Земле и атмосфере Александр Робель, который является научным руководителем Грау, и Азеез Хуссейн (PHYS 2025).
Их прогнозы показывают, что большинство этих озёр будут глубиной менее метра и охватывать до 40% площади ледяного покрова.
«Многие модели не включают никаких данных об озёрах на поверхности ледяных покровов, в то время как другие моделируют рост этих талых озёр до тех пор, пока лёд не обрушится», — говорит Робель. «Наши результаты показывают, что реальность находится где-то посередине — и что максимальный размер этих озёр можно предсказать с помощью этих новых уравнений. Это даёт нам реальные, конкретные цифры для использования в климатических моделях».
Грау начала работать над проектом ещё будучи студенткой, когда подала заявку на участие в программе Summer Research Experiences for Undergraduates, организованной Школой наук о Земле и атмосфере.
Вдохновлённая исследованиями земных озёр, Грау и Робель исследовали «самоаффинность» антарктического ледяного покрова — свойство, связанное с шероховатостью поверхности в различных масштабах. Например, ландшафт, подобный национальному парку Бадлендс, со множеством холмов разного размера, будет иметь другую самоаффинность, чем плоская прерия с тремя большими вулканами.
«Предыдущее исследование использовало это свойство для прогнозирования размеров земных озёр и прудов, и нам было любопытно, сможем ли мы использовать аналогичный подход для изучения талых озёр в Антарктиде», — говорит Грау. «Установление того, что антарктический ледяной покров также обладает этим свойством, стало первым шагом в более глубоком изучении этого вопроса».
Грау продолжила исследование в качестве доктора философии в лаборатории Робеля. Вместе они разгадали физику движения талой воды по поверхности льда, создав «ледник на компьютере», который имитирует накопление и движение талой воды по различным топографиям.
«Мы разработали алгоритм и интегрировали его в модель, которую группа GT Ice & Climate использовала в прошлом», — говорит Грау. «Благодаря этому мы смогли увидеть, как озёра будут образовываться на разных поверхностях в тысячах сценариев. Это стало основой для математических уравнений, которые я разработала и которые могут предсказывать глубину озера и площадь поверхности озера на основе свойства самоаффинности».
Чтобы проверить свои результаты, Грау заручилась помощью Хуссейна — тогда студента-физика — для изучения спутниковых данных, полученных в рамках программы спутниковой съёмки Landsat (которая фиксирует детальные фотографии поверхности Земли из космоса) для измерения существующих супераквальных озёр и топографии поверхности.
«Было интересно увидеть, как наши прогнозы совпали с тем, что мы видели на спутниковых снимках», — объясняет Робель. «Это показывает, что наше решение — это реальный путь для климатических моделей, чтобы реалистично учитывать супераквальные озёра».
Грау уже работает над тем, чтобы включить уравнения команды в атмосферную модель, используемую NASA, в дополнение к модели ледяного покрова, разработанной Лабораторией реактивного движения NASA и Дартмутским колледжем.
«Превращая сложные модели и спутниковые данные в простые прогностические уравнения, мы даём климатическим моделям новый инструмент для прогнозирования будущего», — говорит она. «Это небольшой кусочек головоломки, но он помогает нам понять, как ледяные покровы реагируют на потепление мира».
Предоставлено:
[Технологический институт Джорджии](https://phys.org/partners/georgia-institute-of-technology/)