นักวิทยาศาสตร์ทำนายอนาคตของมหาสมุทรที่ปกคลุมด้วยน้ำแข็งของโลกที่ขอบที่รุนแรง

บริเวณที่ยากและมีพลังมากที่สุดแห่งหนึ่งของโลกคือแผ่นน้ำแข็งที่เป็นแนวคลื่น น้ำแข็งในทะเลที่กระทบกับคลื่นทะเลและก่อตัวขึ้นจากการแช่แข็งของพื้นผิวมหาสมุทร

ประเด็นสำคัญของการทำธุรกรรมเชิงปรัชญาของ Royal Society A ซึ่งเผยแพร่ในวันนี้ ทบทวนความคืบหน้าอย่างรวดเร็วของนักวิจัยที่ได้ทำขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาในการทำความเข้าใจและสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อมที่ท้าทายนี้

งานวิจัยนี้มีความสำคัญสำหรับเราในการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนของระบบภูมิอากาศของโลก เนื่องจากแผ่นน้ำแข็งชายขอบมีบทบาทในการแช่แข็งและการละลายของมหาสมุทรตามฤดูกาล

สถานศึกษาที่โหดร้าย

ในแถบอาร์กติกและแอนตาร์กติก อุณหภูมิพื้นผิวมหาสมุทรจะต่ำกว่า -2 องศาเซลเซียสอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเย็นพอที่จะกลายเป็นน้ำแข็งในทะเล

ที่ละติจูดสูงสุดใกล้กับขั้วโลก น้ำแข็งในทะเลก่อตัวเป็นของแข็งปกคลุมมหาสมุทรซึ่งมีความหนาหลายเมตร ซึ่งสะท้อนรังสีของดวงอาทิตย์ ทำให้บริเวณนั้นเย็นลง และขับน้ำเย็นรอบๆ มหาสมุทร สิ่งนี้ทำให้น้ำแข็งทะเลเป็นองค์ประกอบสำคัญของระบบภูมิอากาศ



อ่านเพิ่มเติม. มหาสมุทรใต้ดูดซับความร้อนได้มากกว่ามหาสมุทรใดๆ บนโลก และผลกระทบจะรู้สึกได้หลายชั่วอายุคน


แต่ที่ละติจูดที่ต่ำกว่า เมื่อมหาสมุทรที่ปกคลุมไปด้วยน้ำแข็งเปลี่ยนเป็นมหาสมุทรเปิด น้ำแข็งในทะเลจะก่อตัวเป็นชิ้นเล็กๆ เคลื่อนที่ได้ที่เรียกว่า “กรอบ” ซึ่งแตกออกเป็นชิ้นๆ ด้วยน้ำหรือผลึกน้ำแข็ง

แถบน้ำแข็งชายขอบนี้มีปฏิสัมพันธ์กับบรรยากาศด้านบนและมหาสมุทรด้านล่างในลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเพื่อให้น้ำแข็งปกคลุมใกล้กับขั้วโลกมากขึ้น

เป็นสภาพแวดล้อมที่ท้าทายสำหรับนักวิทยาศาสตร์ ด้วยการเดินทางไปที่ Antarctic Marginal Ice Belt ในปี 2017 ซึ่งจะมีลมแรงมากกว่า 90 กม./ชม. และมีคลื่นสูงถึง 6.5 เมตร การดูจากระยะไกลเป็นเรื่องยากเช่นกัน เนื่องจากลูกศรมีขนาดเล็กกว่าที่ดาวเทียมส่วนใหญ่มองเห็น

ไถนาผ่านทุ่งน้ำแข็งกลม
ภาพถ่ายของแผ่นน้ำแข็งขอบแอนตาร์กติกที่ถ่ายโดย Alessandro Toffoli บนเรือ SA Agulhas II ในปี 2017
ภาพถ่ายโดย Alessandro Toffoli, ผู้เขียนจัดให้

ถูกคลื่นซัด

เขตน้ำแข็งชายขอบยังโต้ตอบกับมหาสมุทรเปิดผ่านคลื่นพื้นผิวที่เดินทางจากน่านน้ำเปิดสู่โซนซึ่งส่งผลต่อน้ำแข็ง คลื่นสามารถส่งผลร้ายแรงต่อน้ำแข็งปกคลุม ทำให้สัตว์เลื้อยคลานขนาดใหญ่แตกตัว และทำให้พวกมันอ่อนไหวต่อการละลายในฤดูร้อนมากขึ้น

ในทางตรงกันข้าม ในฤดูหนาว คลื่นสามารถมีส่วนทำให้เกิด “แพนเค้ก” ซึ่งเรียกกันว่าเป็นแผ่นน้ำแข็งทะเลบางๆ (คุณสามารถเห็นได้จากภาพด้านบน)

ภาพจากโดรนจากแคนาดาแสดงให้เห็นคลื่นที่เกิดจากเรือที่ทะลุผ่านน้ำแข็งอย่างต่อเนื่องในบาร์

แต่พลังงานคลื่นเองสูญเสียไปในการปฏิสัมพันธ์กับทุ่น ดังนั้นคลื่นจึงค่อยๆ อ่อนลงเมื่อเคลื่อนตัวลึกเข้าไปในเขตเขตแดนน้ำแข็ง สิ่งนี้สร้างกลไกป้อนกลับของคลื่นน้ำแข็งที่ขับเคลื่อนวิวัฒนาการของน้ำแข็งในทะเลภายใต้สภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลง

ตัวอย่างเช่น แนวโน้มไปสู่อุณหภูมิที่อุ่นขึ้นจะทำให้แผ่นน้ำแข็งอ่อนลง ทำให้คลื่นเดินทางลึกเข้าไปในมหาสมุทรที่ปกคลุมด้วยน้ำแข็งและทำให้เกิดการกัดเซาะมากขึ้น ซึ่งจะทำให้แผ่นน้ำแข็งอ่อนลง และอื่นๆ

ภาพน้ำแข็งปกคลุม 2 ภาพ ภาพแรกแสดงเรือแล่นผ่านไปก่อนจะพัง และภาพที่สองแสดงการแตกหัก
รูปถ่ายของแผ่นน้ำแข็งสองภาพก่อนและระหว่างการแตก
Elie Dumas-Lefebvre/University of Quebec at Rimousc

นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาพลวัตของขอบน้ำแข็งมีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับบทบาทของโซนในการเปลี่ยนแปลงที่น่าทึ่งและมักทำให้เกิดความสับสนซึ่งน้ำแข็งในทะเลของโลกกำลังตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

ตัวอย่างเช่น น้ำแข็งในทะเลที่ปกคลุมในมหาสมุทรอาร์กติก “ลดลงเกือบครึ่งหนึ่งตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980” น้ำแข็งในทะเลในทวีปแอนตาร์กติกาเพิ่งจะมีหนึ่งในพื้นที่ที่ใหญ่ที่สุดและเล็กที่สุดที่มีการบันทึก โดยแผ่นน้ำแข็งขอบเป็นแหล่งของความแปรปรวนปีต่อปี

ความก้าวหน้าของเราในการทำความเข้าใจภูมิภาคที่รุนแรงเหล่านี้ได้ดำเนินไปรอบ ๆ โครงการวิจัยระหว่างประเทศที่สำคัญซึ่งนำโดยสำนักงานวิจัยกองทัพเรือแห่งสหรัฐอเมริกาและอื่น ๆ โปรแกรมเหล่านี้เกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์โลก นักธรณีฟิสิกส์ นักสมุทรศาสตร์ วิศวกร และแม้แต่นักคณิตศาสตร์ประยุกต์ (เช่นพวกเรา)

ความพยายามล่าสุดได้ก่อให้เกิดวิธีการสังเกตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เช่น ภาพ 3 มิติของคลื่นบนเรือตัดน้ำแข็ง และวิธีการพลวัตของการลอยตัว ตลอดจนคลื่นน้ำแข็งจากภาพถ่ายดาวเทียม

ภาพถ่ายน้ำแข็งในทะเลที่ปกคลุมมหาสมุทรด้วยการวัดคลื่นด้วยสี
การวัดคลื่นในเขตน้ำแข็งชายขอบที่ซ้อนทับกับภาพถ่ายต้นฉบับจากเรือ SA Agulhas II
Alessandro Toffoli / มหาวิทยาลัยเมลเบิร์นและ Alberto Alberello / มหาวิทยาลัย East Anglia

พวกเขายังนำไปสู่โมเดลใหม่ที่สามารถจำลองปฏิกิริยาระหว่างคลื่นกับน้ำแข็งจากระดับของครีบแต่ละอันไปจนถึงพฤติกรรมโดยรวมของมหาสมุทรทั้งหมด ความก้าวหน้าดังกล่าวทำให้เกิดการทดลองที่นำโดยออสเตรเลียเป็นเวลาหลายเดือนในแนวน้ำแข็งแอนตาร์กติกบนเรือตัดน้ำแข็ง RSV Nuyina มูลค่า 500 ล้านดอลลาร์ ซึ่งคาดว่าจะมีในปีหน้า

น้ำแข็งบริเวณขอบจะกลายเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ ของน้ำแข็งในทะเลทั่วโลกที่ปกคลุมในอนาคตเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและคลื่นจะรุนแรงขึ้น

แม้จะมีความคืบหน้าอย่างรวดเร็ว แต่ก็ยังมีบางวิธีที่จะต้องดำเนินการก่อนที่ความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการป้อนกลับในเขตน้ำแข็งชายขอบจะแปลเป็นการพยากรณ์สภาพอากาศที่ดีขึ้นที่ใช้ตัวอย่างเช่นโดยคณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยรายงานการประเมินการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

การรวมแถบน้ำแข็ง Marginal Ice Belt เข้ากับแบบจำลองสภาพภูมิอากาศได้รับการอธิบายโดยบุคคลสำคัญคนหนึ่งว่าเป็น “จอกศักดิ์สิทธิ์” สำหรับภาคสนาม และคำถามในหัวข้อชี้ให้เห็นถึงการเชื่อมโยงที่ใกล้ชิดกับชุมชนภูมิอากาศในวงกว้างมากขึ้นในฐานะทิศทางสำคัญต่อไปของสนาม



อ่านเพิ่มเติม. หิ้งน้ำแข็งกันธารน้ำแข็งแอนตาร์กติกจากระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้น แต่พวกมันกำลังพังทลายลง