Мощные импульсы подземного стока поднимаются из-под озёр Мичиган и Гурон, которые вместе образуют одну из крупнейших пресноводных систем в мире. Этот подземный поток может кардинально изменить процесс формирования льда и его распределение, что имеет важное значение для моделей ледового климата.
Новое исследование показывает, что при изменении климата традиционные модели могут недооценивать, как подземный сток может дестабилизировать озёрный лёд вдоль береговых линий.
Роль подземного стока в формировании и таянии льда
Когда мы думаем об образовании и стабильности озёрного льда, в голову приходят такие атмосферные факторы, как температура воздуха, влажность, ветер и солнечная радиация. Однако Саид Мемари из Колорадской горной школы и его коллеги утверждают, что подземный сток может играть значительную роль в формировании и таянии льда в крупных пресноводных системах.
В своей работе, недавно опубликованной в журнале Water Resources Research, Мемари и его команда создали связанные гидродинамические модели льда, которые включают пространственно и временно переменные подземные стоки на дне озёр Мичиган и Гурон, и проверили, как разные величины потока влияют на термическую стратификацию озера, начало замерзания и стабильность льда.
Их основной вывод: когда подземный сток усиливается, он действует как слабый, но постоянный источник тепла, доставляя более тёплую воду из недр и задерживая рост льда или способствуя его таянию.
Авторы проверили ряд сценариев подземного стока. Они обнаружили, что при низких потоках (в 10 раз больше базового потока) воздействие незначительно, с небольшим утончением или задержкой замерзания в мелководных зонах. При умеренном потоке (в 100 раз больше базового потока) подземный сток может нарушить термическую стратификацию, перемешивая более тёплую воду вверх, что препятствует стабилизации льда. Но в самых экстремальных режимах потока (в 1000 раз больше базового потока) эффект становится драматичным; в прибрежных и прибрежных зонах лёд термически дестабилизируется, таяние начинается гораздо раньше и проникает глубже на сушу, чем предсказывают модели без учёта подземного стока.
Интересно, что их моделирование показывает, что дестабилизирующее влияние наиболее сильно вблизи краёв и берегов озера из-за более высокого поступления подземного стока, в то время как в глубоких частях озера эффект ослабляется объёмом и изоляцией.
Вариативность подземного стока
Не весь подземный сток одинаков. Пространственная изменчивость означает, что сильный поток в одном прибрежном секторе может локально растопить или утончить лёд, даже когда остальная часть озера остаётся замёрзшей.
Временная изменчивость также важна, поскольку более тёплые летние месяцы означают, что температура поверхности озера менее благоприятна для формирования льда, а в зимний период более прохладные поверхностные воды могут привести к медленному, но устойчивому накоплению льда.
В контексте продолжающегося климатического потепления авторы утверждают, что повышение температуры подземного стока, изменение осадков, изменение землепользования или изменения в пополнении водоносных горизонтов могут сдвинуть режимы подземного стока вверх. Это может усилить ранее незаметный вклад подповерхностного тепла и ещё больше разрушить ледяной покров в прибрежных зонах.
Исследователи стремятся предоставить более реалистичную, динамическую модель зимнего льда в больших озёрах в условиях будущего климата. Более точные прогнозы времени и толщины льда имеют практическое значение для экологии, эрозии береговой линии, качества воды и зимнего судоходства.
Однако есть и ограничения. Мемари и его команда отмечают, что они не включают напрямую обратную связь между эволюцией ледяного покрова и моделями подземного стока (например, по мере таяния льда пути прохождения воды могут меняться). Также крайние случаи потока являются гипотетическими верхними границами; частота и факторы, вызывающие такие импульсы в реальных водоносных горизонтах Великих озёр, остаются неопределёнными.
Другой вопрос: какие геологические и гидрогеологические условия допускают такие интенсивные подземные потоки? Структура проницаемости, связность водоносного горизонта, слоистость отложений и гидравлические градиенты — всё это определяет, насколько большими могут стать большие инъекции подземного тепла, но такие данные о недрах не всегда доступны.
Идея о том, что незначительное потепление подземного стока может существенно дестабилизировать озёрный лёд, может показаться неожиданной, но это исследование демонстрирует, что за зиму даже слабые инъекции подповерхностного тепла могут накапливать эффект, особенно когда они усиливаются импульсами с высоким потоком. В прибрежных зонах Великих озёр это может означать более раннее таяние, более тонкий лёд и неожиданно слабый зимний покров, что имеет значение для экосистем, отдыха, инфраструктуры и региональных климатических обратных связей.