Отслеживание влаги, снега и талой воды через «третий полюс» поможет обществу планировать изменения климата, утверждают Цзин Гао и его коллеги.
Долина Чо Ролпа в Непале, где увеличение объема талой воды с ледников в Гималаях ставит под угрозу местное население. Фото: Jonas Gratzer/ LightRocket / Getty
«Третий полюс» - это крупнейший на планете резервуар льда и снега после Арктики и Антарктики. Он охватывает горные цепи Гималаев, Гиндукуша и Тибетское плато. В регионе находятся 14 самых высоких в мире гор и около 100 000 квадратных километров ледников (площадь размером с Исландию). Талая вода питает десять великих рек, включая Инд, Брахмапутру, Ганг, Жёлтую реку и Янцзы, от которых зависит почти одна пятая населения мира.
Изменение климата угрожает этому огромному замерзшему водохранилищу. В течение последних 50 лет площадь ледников в Гималаях и Тибетском нагорье сокращается. Те, что находятся на севере в горах Тянь-Шаня, потеряли четверть своей массы и могут потерять до половины к середине столетия. Их талая вода расширяет озера. Речной сток начинается в начале летнего пика, что раньше, чем 30 лет назад. Погодные условия меняются. Более слабый индийский муссон уменьшает количество осадков в Гималаях и южном Тибетском нагорье; снег и дождь усиливаются на северо-западе Тибетского нагорья и в горах Памира.
Исследователи до сих пор не понимают, почему эти изменения так сильно различаются по региону и как они будут развиваться. По прогнозам, некоторые реки в Центральной Азии, например, питающие Аральское море, будут постепенно пересыхать. Другие, такие как верховья Ганга, Брахмапутры, Салуина и Меконга, могут разливаться, по крайней мере, до 2050 года.
Тибетские общины уже сталкиваются с последствиями разрушающихся ледников. В октябре 2018 года обломки завалили реку Ярлунг Цангпо, которая образует верховья реки Брахмапутры, угрожая наводнениям в таких отдаленных районах, как Бангладеш.
Для того, чтобы управлять рисками и водоснабжением, общины нуждаются в информации. Им необходимо знать, какие ледники тают быстрее всего и как изменение снегопада и более теплый климат влияют на накопление и исчезновение льда, объемы рек и озер.
Сеть мониторинга
Водный цикл трудно контролировать в этом обширном, отдаленном, высокогорном регионе. Спутниковые снимки и климатические модели имеют недостаточное разрешение для выявления локальных изменений.
По всему региону необходима cеть станций мониторинга. Она должна отслеживать классические метеорологические переменные, такие как температура воздуха, влажность, атмосферное давление, осадки и ветра. Также необходимо расширить данные о круговороте воды, измеряя стабильные изотопы водорода и кислорода в водяном паре. Это дает важную информацию о происхождении атмосферной влаги и процессах, через которые она прошла, таких как испарение и конденсация.
В качестве первого шага международная научная программа под названием «Окружающая среда третьего полюса» с 2014 года установила 11 наземных станций и привязных воздушных шаров в сотрудничестве с Институтом исследований тибетского плато Академии наук Китая в Пекине. Эта сеть мониторинга уже превосходит аналогичные усилия в Антарктике и Арктике и почти удваивает количество таких станций по всему миру.
Ученые готовят привязанные воздушные шары для наблюдения за потоком влаги в воздухе в северном базовом лагере Эвереста в мае 2018 года. Фото: Yingsi Li
Но это еще не все. Исследователям необходимо лучше понять взаимосвязь между сложной местностью третьего полюса, погодными условиями и процессами, которые влияют на осадки и таяние льда. Водный цикл должен отслеживаться в трех измерениях - в виде жидкой воды, льда и водяного пара. Должны отслеживаться все изменения на земле и в воздухе. Чтобы обеспечить точные прогнозы для региона должны быть также адаптированы компьютерные модели.
Необходимые знания
Две погодные модели - индийский муссон и преобладающие западные ветры - направляют большую часть потока влаги к третьему полюсу. В то время как индийский континент нагревается весной и летом, конвекция забирает влагу к северу от Бенгальского залива, Аравийского моря и Индийского океана; это выпадает в виде осадков в Гималаях и за его пределами. На севере и западе региона сильные западные ветры приносят влагу из Средиземного моря. По всему региону вода также испаряется из почвы и выделяется растениями в результате транспирации.
Мы знаем эти закономерности благодаря наблюдениям за стабильными изотопами в воде. В вертикальном измерении такие данные показывают, как влага смешивается в воздушных массах и через процессы в пограничном слое атмосферы. Эта информация также записывает, как ежедневно из ледников выделяется влага, поскольку их поверхности и воздух нагреваются и охлаждаются.
Нам все еще не хватает количественного понимания роли каждого процесса в общем водном бюджете. Также не ясно, сколько воды проходит между твердой, жидкой и паровой фазами, что влияет на региональную гидрологию. Физические процессы, которые влияют на ледники, плохо изучены, в том числе воздействие аэрозолей и поверхностного мусора на накопление и таяние льда. Мы не можем предсказать, сколько талой воды будет стекать в озера и реки, и как влажные почвы могут увеличить локальные осадки. Сложная и разнообразная топография региона является еще одним мешающим фактором.
Тогда есть изменение климата. За последние несколько десятилетий западный реактивный поток в Восточной Азии усиливался зимой9, однако летний муссон в Бабье лето ослабевает. Обе тенденции влияют на распределение снегопада и, следовательно, на отражательную способность (или альбедо), энергетический баланс (баланс всей энергии, которая входит и выходит из земной системы) и водный баланс земных поверхностей.
Глобальные климатические модели предназначены для имитации крупномасштабных особенностей атмосферной циркуляции и, таким образом, изо всех сил пытаются воспроизвести погодные условия на третьем полюсе. Новые модели и данные будут необходимы для их улучшения. Только 0,1% ледников и озер в регионе имеют станции мониторинга. В немногих районах на высоте более 5000 метров над уровнем моря есть метеостанции, не говоря уже о детекторах изотопов воды.
Исследователи установили приборы для измерения стабильных изотопов в атмосферном водяном паре вблизи Эвереста. Фото: Fei Li
Следующие шаги
Первоочередной задачей должно быть расширение сети станций мониторинга погоды и изотопов. Уже в этом году планируется установить 20 дополнительных станций на более широкой территории третьего полюса; другие могут быть добавлены в процессе обучения. Установка является частью китайской исследовательской программы Pan-TPE с участием ученых от Норвегии до Непала. Ее бюджет составляет 1,48 млрд юаней (215 млн долларов США). Программи рассчитана на 5 лет. Целью является изучение изменений окружающей среды на третьем полюсе, на Иранском плато, в горах Кавказа и Карпатах. Другая программа - проект Второй научной экспедиции и исследования Тибетского плато (STEP) - получит 4,35 млрд юаней в течение 5 лет с 2019 года для изучения экологических изменений на Тибетском плато. В течение этой 10-летней программы стоимость инструментов, персонала и технического обслуживания, вероятно, вырастет с 8 миллионов юаней в год до 150 миллионов юаней.
Большинство станций мониторинга будут установлены вдоль двух осей. Южно-северная линия из 15 станций с интервалами в 100–500 км, простирающаяся от тропического Индийского океана через Бангладеш и Непал до гор Тянь-Шаня, будет контролировать процессы, связанные с муссоном. Поперечный разрез с востока на запад, простирающийся от иранского плато до китайского плато Лесс и включающий 12 станций на расстоянии 200–500 км друг от друга, будет изучать воздействие западных ветров. В речных бассейнах будут наблюдаться снег и осадки, таяние ледников, расход воды в озерах и реках, а также уровни ледникового мусора, вечной мерзлоты и подземных вод.
Взаимодействие между высотой, атмосферной циркуляцией и водяным паром будет отслеживаться посредством ежечасных измерений в трех горячих точках: Памирские горы (преобладают западные районы), Гималаи (подверженные воздействию индийского муссона) и горы Хэндуань (где преобладает восточноазиатский муссон). На каждом участке будут размещаться 10 станций с интервалом в 200 метров по высоте.
Установка и поддержка этой сети будет сложной задачей. Устройства должны быть надежными и оснащенными новейшими технологиями, такими как быстрые лазерные спектроскопические измерения изотопов и системы обнаружения и определения дальности света (лидар). Инструменты должны регулярно калиброваться. Более 200 профессиональных сотрудников должны быть обучены, чтобы управлять ими.
Второй приоритет - обмен данными и их использование в глобальных и региональных климатических моделях. Для третьего полюса должны быть разработаны модели систем Земли нового поколения, представляющие его атмосферу, криосферу, гидросферу и биосферу. Модели должны включать взаимодействия с очень высоким разрешением и охватывать стабильные изотопы воды, а также аэрозоли и биогеохимические циклы.
Эти модели должны исследовать региональные последствия различных сценариев человеческой деятельности и стратегий смягчения последствий изменения климата (выбросы парниковых газов, аэрозоли, изменения в землепользовании, управление водными ресурсами). Они также должны количественно определять изменения в речном стоке и качестве воды. Такие модели будут определять региональные стратегии адаптации к изменению климата, сохранения и восстановления экосистем и их услуг, а также сохранения биоразнообразия.
Ученые всего мира в разных дисциплинах, от климатологии до социальных наук, должны работать вместе. И потребности местного населения должны быть во главе. Исследователи должны помочь населению понять, что происходит с их климатом и окружающей средой, дать им возможность разработать стратегии адаптации и управления рисками. Например, проведенные учеными оценки крупных обрушений льда ледников Ару в западном Тибете в 2016 году позволили местному правительству создать систему предупреждения об опасности и переселить находящиеся под угрозой исчезновения общины.
Поскольку последствия глобального потепления отражаются вокруг третьего полюса, наука должна быть на первом плане.
Оригинал статьи на сайте
Nature 565, 19-21 (2019)
Авторы статьи: Jing Gao, Tandong Yao, Valérie Masson-Delmotte, Hans Christian Steen-Larsen & Weicai Wang.
