Misurazione del ghiaccio marino - Measurement of sea ice
La misurazione del ghiaccio marino è importante per la sicurezza della navigazione e per il monitoraggio dell'ambiente , in particolare del clima . L'estensione del ghiaccio marino interagisce con ampi modelli climatici come l' oscillazione del Nord Atlantico e l' Oscillazione multidecadale atlantica , solo per citarne due, e influenza il clima nel resto del mondo.
La quantità di copertura di ghiaccio marino nell'Artico è stata di interesse per secoli, poiché il Passaggio a Nord Ovest era di grande interesse per il commercio e la navigazione. C'è una lunga storia di registrazioni e misurazioni di alcuni effetti dell'estensione del ghiaccio marino, ma le misurazioni complete erano scarse fino agli anni '50 e sono iniziate con l' era dei satelliti alla fine degli anni '70. I record diretti moderni includono dati sull'estensione del ghiaccio, l'area del ghiaccio, la concentrazione, lo spessore e l'età del ghiaccio. Le attuali tendenze nelle registrazioni mostrano un calo significativo del ghiaccio marino dell'emisfero settentrionale e un aumento piccolo ma statisticamente significativo del ghiaccio marino invernale dell'emisfero meridionale .
Inoltre, la ricerca attuale comprende e stabilisce ampi set di documenti storici plurisecolari di ghiaccio marino artico e subartico e utilizza, tra gli altri, record di ghiaccio marino paleo-proxy ad alta risoluzione. Il ghiaccio marino artico è una componente dinamica del sistema climatico ed è legato alla variabilità pluridecennale atlantica e al clima storico nei vari decenni. Ci sono cambiamenti circolari nei modelli di ghiaccio marino, ma finora non ci sono modelli chiari basati sulle previsioni dei modelli.
Metodi per misurare il ghiaccio marino
Prime osservazioni
I documenti raccolti dai Vichinghi che mostrano il numero di settimane all'anno in cui il ghiaccio si è verificato lungo la costa settentrionale dell'Islanda risalgono all'870 d.C., ma esiste un record più completo dal 1600. Documenti scritti più estesi sul ghiaccio marino artico risalgono alla metà del XVIII secolo. secolo. I primi di questi documenti si riferiscono alle rotte di navigazione dell'emisfero settentrionale, ma i documenti di quel periodo sono scarsi. I record della temperatura dell'aria risalenti al 1880 possono fungere da sostituto (proxy) per il ghiaccio marino artico, ma tali record di temperatura sono stati inizialmente raccolti solo in 11 località. L' Istituto di ricerca russo sull'Artico e l'Antartide ha compilato carte del ghiaccio risalenti al 1933. Oggi, gli scienziati che studiano le tendenze del ghiaccio marino artico possono fare affidamento su un record abbastanza completo risalente al 1953, utilizzando una combinazione di record satellitari, record di spedizione e carte del ghiaccio di diversi Paesi.
In Antartide, i dati diretti prima della registrazione satellitare sono ancora più scarsi. Per cercare di estendere il record storico dell'estensione del ghiaccio marino dell'emisfero australe più indietro nel tempo, gli scienziati hanno studiato vari proxy per l'estensione del ghiaccio marino. Uno sono i registri tenuti dai balenieri antartici che documentano la posizione di tutte le balene catturate e si riferiscono direttamente alle osservazioni del ghiaccio marino. Sembra esserci un brusco declino a metà del ventesimo secolo nell'estensione del ghiaccio marino antartico dai record di caccia alle balene, le stime globali dirette della copertura di ghiaccio marino antartico dalle osservazioni satellitari, dal 1970 non forniscono tendenze chiare. Poiché le balene tendono a radunarsi vicino al bordo del ghiaccio marino per nutrirsi, le loro posizioni potrebbero essere un indicatore dell'estensione del ghiaccio. Altri proxy utilizzano la presenza di composti organici derivati dal fitoplancton e altre tracce estremofili nelle carote di ghiaccio e nei sedimenti antartici . Poiché il fitoplancton cresce più abbondantemente lungo i bordi della banchisa, la concentrazione di questi composti organici contenenti zolfo e la loro geochimica forniscono indicatori di quanto lontano si estendesse il bordo del ghiaccio dal continente. Ci sono ulteriori serie estesi di registrazioni storiche plurisecolari di ghiaccio marino artico e subartico e usi, tra gli altri record di ghiaccio marino paleo proxy ad alta risoluzione.
Satelliti
Utili dati satellitari riguardanti il ghiaccio marino iniziarono nel dicembre 1972 con lo strumento Electrically Scanning Microwave Radiometer (ESMR). Tuttavia, questo non era direttamente paragonabile al successivo SMMR/SSMI, e così il record pratico inizia alla fine del 1978 con il lancio del satellite Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) della NASA e continua con lo Special Sensor Microwave/Imager (SSMI) . Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR) e Cryosat-2 forniscono registrazioni separate.
Dal 1979, i satelliti hanno fornito una registrazione continua e coerente del ghiaccio marino. Tuttavia, il record si basa sull'unione di misurazioni da una serie di diversi strumenti satellitari, che possono portare a errori associati all'intercalibrazione tra i cambiamenti del sensore. Le immagini satellitari del ghiaccio marino sono ottenute dalle osservazioni dell'energia a microonde irradiata dalla superficie terrestre. Poiché l'acqua dell'oceano emette microonde in modo diverso dal ghiaccio marino, il ghiaccio "sembra" diverso dall'acqua al sensore satellitare, vedi modelli di emissività del ghiaccio marino . Le osservazioni vengono elaborate in elementi dell'immagine digitale, o pixel. Ogni pixel rappresenta una superficie quadrata sulla Terra. I primi strumenti fornivano una risoluzione di circa 25 chilometri per 25 chilometri; strumenti successivi superiori. Gli algoritmi esaminano le emissioni di microonde e le loro polarizzazioni verticali e orizzontali e stimano l'area del ghiaccio.
Il ghiaccio marino può essere considerato in termini di volume totale o in termini di copertura dell'area. Il volume è più difficile, perché richiede la conoscenza dello spessore del ghiaccio, che è difficile da misurare direttamente; sforzi come PIOMAS utilizzano una combinazione di osservazioni e modelli per stimare il volume totale.
Ci sono due modi per esprimere la copertura totale del ghiaccio polare: l'area del ghiaccio e l'estensione del ghiaccio. Per stimare l'area del ghiaccio, gli scienziati calcolano la percentuale di ghiaccio marino in ciascun pixel, moltiplicano per l'area del pixel e totalizzano le quantità. Per stimare l'estensione del ghiaccio, gli scienziati hanno fissato una percentuale di soglia e contano ogni pixel che incontra o supera tale soglia come "coperto di ghiaccio". La soglia comune è del 15%.
L'approccio basato sulla soglia può sembrare meno accurato, ma ha il vantaggio di essere più coerente. Quando gli scienziati analizzano i dati satellitari, è più facile dire se c'è o meno almeno il 15% di copertura di ghiaccio in un pixel piuttosto che dire, ad esempio, se la copertura di ghiaccio è del 70% o del 75%. Riducendo l'incertezza sulla quantità di ghiaccio, gli scienziati possono essere più certi che i cambiamenti nella copertura del ghiaccio marino nel tempo siano reali.
Un'attenta analisi degli echi dell'altimetria radar satellitare può distinguere tra quelli retrodiffusi dall'oceano aperto, ghiaccio nuovo o ghiaccio pluriennale. La differenza tra l'elevazione degli echi dalla neve/ghiaccio marino e l'acqua aperta dà l'elevazione del ghiaccio sopra l'oceano; lo spessore del ghiaccio può essere calcolato da questo. La tecnica ha una risoluzione verticale limitata – forse 0,5 m – ed è facilmente confusa dalla presenza anche di piccole quantità di acque libere. Quindi è stato utilizzato principalmente nell'Artico, dove il ghiaccio è più spesso e più continuo.
sottomarini
A partire dal 1958 i sottomarini della US Navy raccolsero profili sonar rivolti verso l'alto , per la navigazione e la difesa, e convertirono le informazioni in stime dello spessore del ghiaccio. I dati dei sottomarini statunitensi e della Royal Navy disponibili presso il NSIDC includono mappe che mostrano le tracce dei sottomarini. I dati sono forniti come profili di bozza di ghiaccio e come statistiche derivate dai dati del profilo. I file statistici includono informazioni riguardanti le caratteristiche del pescaggio del ghiaccio, le chiglie, il ghiaccio livellato, i cavi, il ghiaccio indeformato e deformato.
boe
Le boe vengono posizionate sul ghiaccio per misurare le proprietà del ghiaccio e le condizioni meteorologiche dai partecipanti all'International Arctic Buoy Program e dalla sua sorella, l' International Program for Antarctic Buoys . Le boe possono avere sensori per misurare la temperatura dell'aria , la pressione atmosferica , la posizione della boa, la crescita/scioglimento del ghiaccio, la temperatura del ghiaccio, le correnti oceaniche , il movimento del ghiaccio marino, la pressione al livello del mare, la temperatura della superficie del mare, la temperatura della pelle, la temperatura dell'aria superficiale, i venti di superficie e la temperatura dell'acqua .
Sonar rivolto verso l'alto
I dispositivi sonar verso l'alto (ULS) possono essere installati sotto il ghiaccio polare per un periodo di mesi o addirittura anni e possono fornire un profilo completo dello spessore del ghiaccio per un singolo sito.
Osservazioni ausiliarie
Le osservazioni ausiliarie del ghiaccio marino vengono effettuate da stazioni costiere, navi e aerei .
Sebbene negli ultimi anni i dati telerilevati abbiano giocato un ruolo importante nell'analisi del ghiaccio marino, non è ancora possibile compilare un quadro completo e accurato delle condizioni del ghiaccio marino solo da questa fonte di dati. Le osservazioni ausiliarie del ghiaccio marino svolgono un ruolo importante nel confermare le informazioni sul ghiaccio rilevate a distanza o nel fornire importanti correzioni al quadro generale delle condizioni del ghiaccio.
L'osservazione ausiliaria più importante del ghiaccio marino è la posizione del bordo del ghiaccio. Il suo valore riflette sia l'importanza della posizione del bordo del ghiaccio in generale sia la difficoltà di localizzare con precisione il bordo del ghiaccio con i dati telerilevati. È anche utile fornire una descrizione del bordo del ghiaccio in termini di indicazioni di congelamento o disgelo, anticipo o ritiro dovuto al vento e compattezza o diffusione. Altre importanti informazioni ausiliarie includono la posizione degli iceberg , floeberg, isole di ghiaccio, ghiaccio vecchio, creste e hummocking. Queste caratteristiche del ghiaccio sono scarsamente monitorate dalle tecniche di telerilevamento, ma sono aspetti molto importanti della copertura di ghiaccio.
Tipi di misurazioni
Estensione del ghiaccio marino
L'estensione del ghiaccio marino è l'area di mare con una quantità specificata di ghiaccio, solitamente il 15%. Per i sensori a microonde satellitari, la fusione superficiale sembra essere acqua aperta piuttosto che acqua sopra il ghiaccio marino. Quindi, sebbene affidabili per misurare l'area per la maggior parte dell'anno, i sensori a microonde tendono a sottovalutare l'effettiva concentrazione di ghiaccio e l'area quando la superficie si scioglie.
Zona di ghiaccio marino
Per stimare l'area del ghiaccio, gli scienziati calcolano la percentuale di ghiaccio marino in ciascun pixel, moltiplicano per l'area del pixel e totalizzano le quantità. Per stimare l'estensione del ghiaccio, gli scienziati hanno fissato una percentuale di soglia e contano ogni pixel che incontra o supera tale soglia come "coperto di ghiaccio". Il National Snow and Ice Data Center , uno dei centri di archiviazione attivi distribuiti della NASA, monitora l'estensione del ghiaccio marino utilizzando una soglia del 15%.
Concentrazione di ghiaccio marino
La concentrazione di ghiaccio marino è la percentuale di un'area ricoperta di ghiaccio marino.
Spessore del ghiaccio marino
Lo spessore del ghiaccio marino aumenta nel tempo e aumenta quando i venti e le correnti spingono il ghiaccio insieme. Il satellite Cryosat-2 dell'Agenzia spaziale europea è stato lanciato nell'aprile 2010 con l'obiettivo di mappare lo spessore e la forma della copertura di ghiaccio polare della Terra. Il suo unico strumento, un altimetro radar interferometrico SAR, è in grado di misurare il bordo libero del ghiaccio marino .
L'era glaciale del mare
L'età del ghiaccio è un altro descrittore chiave dello stato della copertura di ghiaccio marino, poiché il ghiaccio più vecchio tende ad essere più spesso e più resistente del ghiaccio più giovane. Il ghiaccio marino respinge il sale nel tempo e diventa meno salato con conseguente punto di fusione più alto . Un semplice approccio in due fasi classifica il ghiaccio marino in ghiaccio del primo anno e ghiaccio pluriennale. Il primo anno è il ghiaccio che non è ancora sopravvissuto a una stagione di scioglimento estivo, mentre il ghiaccio pluriennale è sopravvissuto almeno un'estate e può avere diversi anni. Vedere i processi di crescita del ghiaccio marino .
Bilancio di massa del ghiaccio marino
Il bilancio di massa del ghiaccio marino è il bilancio di quanto il ghiaccio cresce in inverno e si scioglie in estate. Per il ghiaccio marino artico praticamente tutta la crescita avviene sul fondo del ghiaccio. La fusione avviene sia sulla parte superiore che inferiore del ghiaccio. Nella stragrande maggioranza dei casi tutta la neve si scioglie durante l'estate, in genere in appena un paio di settimane. Il bilancio di massa è un concetto potente poiché è il grande integratore del bilancio termico. Se c'è un aumento netto di calore, il ghiaccio si assottiglia. Un raffreddamento netto si tradurrà in ghiaccio più spesso.
Effettuare misurazioni dirette del bilancio di massa è semplice. Una serie di picchetti e spessimetri viene utilizzata per misurare l'ablazione e l'accumulo di ghiaccio e neve nella parte superiore e inferiore della copertura di ghiaccio. Nonostante l'importanza delle misurazioni del bilancio di massa e l'attrezzatura relativamente semplice coinvolta nella loro realizzazione, ci sono pochi risultati osservativi. Ciò è dovuto, in gran parte, alle spese sostenute per la gestione di un campo sul campo a lungo termine che serva da base per questi studi.
Volume del ghiaccio marino
Non ci sono misurazioni a livello artico o antartico del volume del ghiaccio marino, ma il volume del ghiaccio marino artico viene calcolato utilizzando il sistema di modellazione e assimilazione dell'oceano di ghiaccio panartico (PIOMAS) sviluppato presso l'Università di Washington Applied Physics Laboratorio/Centro di Scienze Polari. PIOMAS unisce le concentrazioni di ghiaccio marino osservate dal satellite nei calcoli del modello per stimare lo spessore e il volume del ghiaccio marino. Il confronto con le osservazioni di sottomarini, ormeggi e satelliti contribuisce ad aumentare la sicurezza dei risultati del modello.
ICESat era un satellite dotato di altimetro laser, in grado di misurare il bordo libero dei flussi di ghiaccio. Il suo periodo di servizio attivo è stato da febbraio 2003 a ottobre 2009. Insieme a una serie di dati ausiliari come densità del ghiaccio, spessore del manto nevoso, pressione dell'aria, salinità dell'acqua, è possibile calcolare lo spessore del flusso e quindi il suo volume. I suoi dati sono stati confrontati con i rispettivi dati PIOMAS ed è stato trovato un ragionevole accordo.
Cryosat-2 , lanciato nell'aprile 2010, ha la capacità di misurare il bordo libero dei flussi di ghiaccio, proprio come ICESat , solo che utilizza il radar invece degli impulsi laser. I dati sono calcolati con il modello PIOMAS.
Tendenze nei dati
Registri affidabili e coerenti per tutte le stagioni sono disponibili solo durante l'era dei satelliti, dal 1979 in poi.
Emisfero nord
Secondo misurazioni scientifiche, sia lo spessore che l'estensione del ghiaccio marino estivo nell'Artico hanno mostrato un drammatico declino negli ultimi trent'anni.
Emisfero sud
I record prima dell'era dei satelliti sono scarsi. William K. de la Mare, 1997, in Brusco declino della metà del ventesimo secolo nell'estensione del ghiaccio marino antartico dai dati sulla caccia alle balene ha trovato uno spostamento verso sud del bordo del ghiaccio basato sui dati sulla caccia alle balene; questi risultati sono stati messi in discussione, ma documenti successivi di de la Mare e di Cotte supportano la stessa conclusione.
Le tendenze del ghiaccio marino antartico derivate dai satelliti mostrano un aumento pronunciato nel settore del Pacifico centrale di circa il 4-10% per decennio e una diminuzione nel settore di Bellingshausen/Weddell occidentale con percentuali simili ma di estensione inferiore. Esiste una stretta connessione con l'oscillazione antartica dell'ulteriore e degli impatti delle polarità positive dell'oscillazione El Niño-Southern (ENSO) per quest'ultimo. L'entità dei cambiamenti del ghiaccio associati all'AAO e all'ENSO è inferiore alle tendenze regionali del ghiaccio e i processi su scala locale (o meno compresi su larga scala) devono ancora essere studiati per una spiegazione completa.
Utilizzo del periodo 1981-2010 come riferimento
Gli scienziati usano la media dal 1981 al 2010 perché fornisce una linea di base coerente per i confronti di anno in anno dell'estensione del ghiaccio marino. Trent'anni è considerato un periodo di riferimento standard per il tempo e il clima e la registrazione satellitare è ora abbastanza lunga da fornire un periodo di riferimento di trent'anni.