Ученые обнаружили скрытый ледяной резервуар, погребенный внутри ледника Юта-Рок

Фото из открытых источников

Туристы, поднимающиеся к горе Тимпаногос в штате Юта, проходят мимо этого места уже несколько поколений: бесформенная груда обломков, лежащая в чашеобразной котловине у подножия вершины. Местные жители часто принимают окружающие ее участки снега за ледник, но настоящая история скрыта под ними. Ученые теперь определили, сколько льда скрывается под обломками: блок размером примерно с 600 олимпийских бассейнов, спокойно покоящийся под обломками и медленно спускающийся вниз по склону.

Геологи называют такие формы рельефа каменистыми ледниками — ледниками, скрытыми под поверхностью. Толстый слой рыхлых камней и обломков покрывает лед под собой, изолируя его от солнца и тепла таким образом, что он может существовать в местах, где обычный ледник никогда бы не выжил. Именно этот изолирующий слой камней является причиной того, почему ученые десятилетиями пытались выяснить, сколько льда на самом деле содержат эти образования. Исследовательская группа из Университета Юты и Геологической службы Юты решила выяснить это, используя хитрый прием: измерение мельчайших изменений гравитации по всей форме рельефа, чтобы составить карту того, что скрывается под поверхностью. Результаты их исследований опубликованы в журнале Journal of Geophysical Research: Earth Surface.

То, что обнаружили на леднике Тимпаногос-Рок, было трудно игнорировать. Богатое льдом ядро ​​под скалами простирается на 30–45 метров в толщину вдоль центра рельефа, углубляясь до 55 метров у его нижнего конца. В общей сложности, по оценкам исследователей, ледник содержит около 1,55 миллиона кубических метров льда. Эта единственная, среднего размера груда камней в горной котловине штата Юта содержит настоящий запас воды, который на протяжении столетия ошибочно принимали за живописный пейзаж.

Изучение каменистых ледников затруднено, поскольку обычные инструменты, используемые учеными для исследования внутренней структуры льда, такие как радар, искажаются из-за большого количества рыхлых камней, перемешанных внутри ледника. Поэтому команда попробовала другой подход: высокочувствительный гравиметр — устройство, способное обнаруживать мельчайшие изменения силы тяжести от одной точки к другой.

Лед менее плотный, чем твердая порода, поэтому участок земли, расположенный на толстом ледяном массиве, будет демонстрировать несколько более слабое гравитационное притяжение, чем участок, расположенный на твердой скальной породе. В период с августа по октябрь 2024 года исследователи прошли пешком по леднику Тимпаногос и его окрестностям, сделав 232 отдельных измерения гравитации с интервалом примерно в 25 метров, там, где рельеф позволял установить и выровнять прибор. Они также собрали образцы горных пород с поверхности для измерения их плотности и использовали GPS для точного определения высоты каждого измерения с точностью до сантиметра.

Превращение этих исходных данных в трехмерную картину того, что находится под землей, потребовало серьезных вычислительных операций. Команда создала компьютерную модель, которая начиналась с приблизительной оценки формы и плотности подземного материала, а затем тестировала тысячи вариантов, сравнивая их с фактическими показаниями гравитации, пока не нашла наиболее подходящий. Вместо того чтобы выдать один жесткий ответ, этот процесс позволил получить ряд вероятных моделей, а также оценить, насколько уверены ученые в каждой из них.

Исследователи использовали три варианта этой модели: один предполагал наличие одного слоя льда с одинаковой плотностью по всей его длине, другой позволял плотности изменяться вдоль каменистого ледника, а третий разделял подземную структуру на два слоя: обломки камней поверх льда под ними. Все три варианта сходились в общей картине: чашеобразное скопление камней под льдом, наиболее глубокое у нижнего конца каменистого ледника, где лед накапливался дольше всего.

Чтобы убедиться в достоверности оценок, основанных на гравитационных данных, команда сопоставила свои результаты с совершенно другим показателем: скоростью движения поверхности каменистого ледника. Используя GPS-оборудование, установленное в 30 точках на рельефе в 2023 и 2024 годах, исследователи измерили скорость движения грунта вниз по склону, которая составляла от 8 до 20 сантиметров в год.

Это движение имеет значение, потому что лед деформируется и течет под собственным весом, а скорость этого течения частично зависит от толщины льда. Подстановка измеренных скоростей движения по поверхности в стандартные уравнения для описания течения льда позволила получить оценки толщины, которые хорошо совпали с результатами гравиметрической съемки, что придало исследователям дополнительную уверенность в точности их подземной карты.

Наилучшая оценка была получена на основе двухслойной модели, которая показала, что ледяное ядро ​​каменистого ледника составляет около 83% материала в этом слое, а остальную часть заполняют обломки горных пород. В среднем по всей структуре, включая слой обломков толщиной в несколько метров, вся структура содержала 72% льда и имела среднюю толщину около 18,8 метров.

Получив достоверные данные об объеме льда одного из каменистых ледников, команда объединила их с опубликованными данными по десяти другим каменистым ледникам, изученным в разных уголках мира, от Альп до Анд и других мест на западе Америки. Сопоставив эти данные, они вывели новую математическую зависимость, связывающую площадь поверхности каменистого ледника с предполагаемым количеством содержащегося в нем льда.

Эта взаимосвязь позволила исследователям масштабировать свои выводы на целые регионы. По их оценкам, каменные ледники горного хребта Уосатч содержат объем воды, эквивалентный примерно 80 миллионам тонн. В масштабах штата Юта эта цифра возрастает почти до 1 миллиарда тонн. На западе Соединенных Штатов эта оценка достигает почти 12 миллиардов тонн, а в глобальном масштабе команда подсчитала, что нетронутые каменные ледники мира могут содержать объем воды, эквивалентный примерно 48 миллиардам тонн.

Каменные ледники не просто стоят, как груды обломков. Они действуют как хранилища воды с медленным высвобождением в горных районах, способные поддерживать течение рек в конце сезона таяния, после того как обычный снежный покров исчезает. Тем не менее, у ученых по-прежнему остаются большие вопросы о том, сколько этого погребенного льда тает каждый год и сколько из него достигает рек ниже по течению. Поскольку повышение температуры приводит к сокращению и исчезновению традиционных ледников, особенно в засушливых горных регионах, ожидается, что каменные ледники станут все более важным источником накопленной воды. Они также создают прохладные, стабильные микроклиматы, которые служат убежищем для холодолюбивых видов, включая американскую пищуху, а также для растений и мелких животных, зависящих от холодных убежищ по мере потепления климата.

Есть и обратная сторона медали. Когда каменистые ледники поглощают больше воды и сталкиваются с более высокими температурами, они могут стать нестабильными. Большее количество жидкой воды внутри этих форм рельефа связывают с более быстрым движением и, в более редких случаях, с полным обрушением. Один каменистый ледник во Французских Альпах потерял от 250 000 до 500 000 кубических метров материала, который сполз на 500 метров вниз по склону всего за несколько дней. Понимание того, что находится внутри этих форм рельефа, сколько льда, сколько камней и как все это расположено, является важным шагом к прогнозированию того, какие из них могут дестабилизировать и угрожать горным поселениям ниже по течению.

Ученые, проводившие это исследование, утверждают, что их оценка объема ледника Тимпаногос-Рок, вероятно, не соответствует реальному объему льда. Постоянный снег и крутой рельеф не позволили им измерить гравитацию в верхней части ледника, в том самом месте, где отверстие в поверхности обнажило голый лед, что свидетельствует о том, что в этом участке может находиться даже больше льда, чем показала модель.

Значение ледника Тимпаногос-Рок выходит за рамки математических расчетов, характерных для бассейнов. Эта цифра указывает на значительный запас горной воды, который трудно точно измерить, поскольку большая часть его льда скрыта под обломками. По мере сокращения обычных ледников, каменистые ледники, подобные этому, могут содержать все большую долю льда, оставшегося в некоторых горных районах, перемещаясь из малоизученного уголка водной экосистемы в ее центральную часть.

Исследователи отмечают несколько источников неопределенности в своих выводах. Постоянный снежный покров и крутой рельеф препятствовали сбору гравиметрических данных в верхней части ледника Тимпаногос в течение периода исследования, что означает, что оценочный объем льда, вероятно, является нижней границей, а не полным подсчетом. Также существует неизбежный компромисс в гравитационном моделировании между оценочной толщиной ледяного слоя и его предполагаемой плотностью, что вносит неопределенность, особенно в центре ледника, где ограничения данных наиболее слабы. Глобальные и региональные оценки масштабирования основаны на предположении, что ледники обычно имеют параболическую форму ложа, на основе данных только по 11 ледникам, изученным с помощью трехмерных геофизических методов по всему миру, и авторы прямо заявляют, что для уточнения этих данных необходимы дополнительные трехмерные геофизические исследования ледников.