Jak sprawdzić GPS-em, jak szybko lądolód Grenlandii się topi?

O tym, że Grenlandia (a dokładniej lądolód ją pokrywający) się topi, wiemy od dobrych paru lat. Przedtem można było mieć nadzieje, że ubywa lodu tylko w pobliżu brzegów, gdzie jest najcieplej (bo najniżej), a zwiększone w wyniku ogrzania Północnego Atlantyku opady śniegu w wyższych partiach Grenlandii zrównoważą ten ubytek.

Niestety nowoczesne techniki pomiarowe, w tym altimetria radarowa, lotnicza i satelitarna (mierząca bardzo dokładnie wysokość lodu nad poziomem morza) i satelitarne metody grawimetryczne (mierzące wprost zmiany masy danego rejonu – takie jak misja GRACE), położyły kres tym nadziejom. Na Grenlandii nie tylko netto ubywa lodu, ale ubywa go coraz szybciej.

Powyższy rysunek, pochodzący z opublikowanej w zeszłym roku Diagnozy Kopenhaskiej [1], przedstawia szacunki zmiany masy lodu grenlandzkiego w funkcji czasu. Ujemne wartości to oczywiście ubytek. Prostokąty “kropkowane” to wartości z artykułów, które użyte były przez ostatni raport IPCC, a “solidne” są nowsze od niego. Kolory oznaczają metodę pomiaru: czerwone to tradycyjne bilanse opadów, spływu lodu i wody z Grenlandii oraz parowania i sublimacji; brązowe to metody altimetryczne, a niebieskie grawitacyjne. Oczywiście, wysokość prostokątów to niepewność pomiarowa, a szerokość to okres, dla którego szacowano zmianę masy lodu. Widać, że sytuacja się ewidentnie pogarsza. Na rysunku zaznaczono też (dla porównania) pozioma kreskę ubytku lodu odpowiadającemu 0.5 mm przyrostu poziomu oceanu światowego rocznie.

Jednak zawsze można mieć wątpliwości co do nowych metod pomiarowych takich, jak w tym wypadku radarowych i grawitacyjnych. Szczególnie te ostatnie są trudne, bo na wartość pomiaru zmiany masy rzutuje także podnoszenie się samego lądu. A to, że Grenlandia porusza się w pionie, podobnie jak Skandynawia czy Północna Kanada to żadna niespodzianka. Te rejony jeszcze nie doszły do równowagi po ostatniej epoce lodowej, gdy były wgniatane w dół przez wielokilometrowe warstwy lądolodu. Na Grenlandii ten efekt jest mniejszy (bo grubość lodu tak bardzo tam się nie zmieniła) ale też istnieje. Co ciekawe, w rejonach sąsiadujących z podnoszącymi się po epoce lodowej, muszą występować obszary, gdzie jest odwrotnie, tzn. następuje izostatyczne obniżanie się terenu. Warto te prędkości mierzyć bezpośrednio, by polepszyć dokładność metod grawitacyjnych. Jak? Oczywiście GPS-em. Nieustający pomiar stacjonarnym odbiornikiem GPS pozwala na pomiar pozycji (a w wyniku tego także powolnych ruchów) z dokładnościami milimetrowymi. W ten sposób zmierzono miedzy innymi bezpośrednio dryf kontynentów, a także unoszenie się izostatyczne rejonów dawnych zlodowaceń. Czyli nie ma tu nic sensacyjnego. Dlaczego więc o tym piszę?

Piszę o tym, bo właśnie ukazał się w czerwcowym numerze Nature Geoscience artykuł [2] pokazujący, że pomiary GPS-em mogą stanowić czwarta niezależna metodę szacowania tempa ubytku lodu. Nie z samych wartości prędkości pionowej w miejscu pomiaru, ale ich zmian w czasie. Zmiana prędkości podzielona przez czas, w którym nastąpiła, to, jak wiadomo, przyśpieszenie, stąd tytuł artykułu “Accelerating uplift in the North Atlantic region as an indicator of ice loss“.

Powyższa mapka z artykułu pokazuje lokalizacje użytych stacji GPS. Czerwone kropki to stacje, gdzie zmierzone przyśpieszenie jest większe niż 0,5 mm/rok². Punkty te wyraźnie “gromadzą się” wokół Grenlandii. Wartości przyśpieszeń w tych punktach (górny panel rysunku poniżej pokazuje wartości zmian prędkości pionowej w czterech punktach na Grenlandii) wskazują, że to przyśpieszenie nie mogło zacząć się wcześniej niż w latach 1990-ch. Wartości prędkości pionowej dla tych samych punktów wynikające z modelu izostatycznego (czyli powrotu do równowagi po okresie glacjalnym) zaznaczono poziomymi liniami przerywanymi w tych samych kolorach.  Wygląda na to, że pomiary GPS-owe rozpoczęto prawie dokładnie w momencie, gdy rozpoczęło się współczesne topienie Grenlandii.  Uważny czytelnik zauważy, że dolny panel rysunku to w zasadzie powtórzenie rysunku z Diagnozy Kopenhaskiej (tylko kolory oznaczające metody są inne). Istotna jest tu czarna ukośna linia trendu zmiany prędkości (przyspieszenia) zmian masy, mierzonych grawitacyjnie przez misję GRACE z ostatnich lat, mająca wartość 21 ± 8 GT/rok².

Te same przyśpieszenia wstawione do prostego modelu elastyczności skorupy ziemskiej, używanego przez glacjologów (autorzy artykułu wzięli go z podręcznika), pozwalają na wyliczenie zmian prędkości ubytku masy niezależną nową metodą (wyłącznie z pomiarów GPS). I co wychodzi? Dla zachodniego wybrzeża Grenlandii obliczone przyśpieszenie ubywania lodu wynosi 8.7 ± 3.5 GT/rok², a dla południowo-wschodniego 12.5 ± 5.5 GT/rok² [3]. A co otrzymamy, jeśli dodamy obie te wartości z dwóch regionów obserwowanego topienia lądolodu? Ano dostaniemy 21.2 ± 6.5 GT/rok² (niepewności nie dodają się liniowo, trzeba wyliczyć pierwiastek z sumy ich kwadratów [4]). A ta wartość aż za dobrze pasuje do 21 ± 8 GT/rok² z pomiarów grawitacyjnych. No cóż, czasem ma się szczęście do kasowania się błędów. I zawsze miło upewnić się co do wyniku stosując niezależną metodę.

Chociaż może nie ma się z czego cieszyć: jaką metodą tego nie mierzyć, zawsze Grenlandia topi się w coraz szybszym tempie…

[1] The Copenhagen Diagnosis, 2009: Updating the World on the Latest Climate Science.
I. Allison, N.L. Bindoff, R.A. Bindschadler, P.M. Cox, N. de Noblet, M.H. England, J.E. Francis, N. Gruber, A.M. Haywood, D.J. Karoly, G. Kaser, C. Le Quéré, T.M. Lenton, M.E. Mann, B.I. McNeil, A.J. Pitman, S. Rahmstorf, E. Rignot, H.J. Schellnhuber, S.H. Schneider, S.C. Sherwood, R.C.J. Somerville, K. Steffen, E.J. Steig, M. Visbeck, A.J. Weaver. The University of New South Wales Climate Change Research Centre (CCRC), Sydney, Australia, 60pp.

[2] Jiang, Y., Dixon, T., & Wdowinski, S. (2010). Accelerating uplift in the North Atlantic region as an indicator of ice loss Nature Geoscience, 3 (6), 404-407 DOI: 10.1038/ngeo845

[3] Zdanie z abstraktu artykułu “Using a simple elastic model, we estimate that western Greenland’s ice loss is accelerating at an average rate of 8.7 ± 3.5 Gt yr^-2, whereas the rate for southeastern Greenland—based on limited data—falls at 12.5 ± 5.5 Gt yr^-2.” zdawałoby się świadczyć, że na południowo-wschodnim wybrzeżu następuje deceleracja (spowolnienie) ubytku masy, ale treść samego artykułu nie pozostawia wątpliwości, że to jedynie niezręczność sformułowania: słowo “falls” oznacza tu “wynosi”, a nie “spada”.

[4] Specjalnie dla mwrony dodaję, że robi się tak dla przypadku gdy niepewności są nieskorelowane. Ale ponieważ w realnych sytuacjach badawczych staramy się uniknąć takiej sytuacji, zwykle o tym warunku się zapomina. A nawet jak są to i tak o tym nie wiemy bo przecież nie znamy prawdziwych wartości mierzonych parametrów. Tym, między innymi, z konieczności, różnią się pomiary naukowe od teorii pomiaru.

Hits: 259