Вчені зі Стенфорда розкрили таємницю руху льоду в Антарктиді

Науковці зі Стенфордського університету зробили прорив у розумінні того, як рухається льодовий щит Антарктиди — найбільша крижана маса Землі, що має вирішальне значення для стабільності рівня моря у світі. Використовуючи машинне навчання та високоточні дані із супутників авіаційних радарів, дослідники його виявили, що сучасні кліматичні моделі не враховують критично важливу складність, необхідну для точного прогнозування динаміки льоду та втрати маси. Ці висновки, опубліковані 13 березня в журналі Science, можуть суттєво покращити передбачені майбутні зміни на континенті в умовах глобального потепління.

Антарктичний льодовий щит, який майже вдвічі перевищує розміри Австралії, достатньо замерзлої води, щоб підняти рівень світового океану на 58 метрів, якби весь розтанув. У міру нагрівання планети цей лід зростає тане, що вже зараз до підвищення рівня моря та загрожує прибережним районам. Точне моделювання того, як льодовики Антарктиди рухаються і втрачають масу, є природним місцем для захисту низинних територій від затоплення, ерозії узбережжя та посилення наслідків ураганів. Проте старі існуючі моделі стикаються з труднощами через брак даних і складну взаємодію між океаном, атмосферою та замерзлою поверхнею.

Команда під керівництвом Чін-Яо Лая, доцента геофізики Стенфордської школи сталого розвитку Doerr, уперше представила машинне навчання для аналізу високоточних даних дистанційного зондування про рух льоду в Антарктиді. Їхня робота розкрила ключові фізичні процеси, які представляють масштабні переміщення льодового щита. «У добу супутникових технологій ми отримали доступ до величезного обсягу даних, — зазначив Лай, старший автор дослідження. — Ми об’єднали ці дані з глибоким навчанням, враховуючи закони фізики, щоб отримати нові знання про поведінку льоду в природному середовищі».

Досі моделі руху льодового щита базувалися на припущеннях про механічні властивості льоду, отриманих із лабораторних експериментів. Але, як пояснила Лай, лід в Антарктиді значно складніший, ніж те, що можна відтворити в лабораторіях. Лід, утворений із морської води, відмінний від того, що сформувався зі стислим снігом, а льодові масиви можуть нарощувати тріщини, повітряні кишені чи інші неоднорідності, які впливають на їхню динаміку. «Ці відмінності впливають на загальну механічну поведінку льодового щита — так звану конститутивну модель — у спосіб, який не відтворюють ні лабораторні умови, ні існуючі моделі», — додала вона.

Замість того, щоб детально вивчити шкірну зміну, дослідники створили модель машинного навчання, яка аналізувала великомасштабні рухи та товщину льоду за даними супутникових знімків і радарів з літаків за період із 2007 по 2018 роки. Модель була налаштована так, щоб відповідати цим даним і слідувати відомим фізичним законам, що регулюють рух льоду. Завдяки цьому введені отримали нові конститутивні моделі, які описують в'язкість льоду — його опір руху чи течії.

Особливу увагу дослідники приділили п'яти льодовим шельфам Антарктиди — плавучим платформам льоду, які простягаються від наземних льодовиків над океаном і підтримують основну масу льоду континенту. Вони виявили, що ближче до суші ці шельфи знають стиснення, і їх властивості збігаються з лабораторними даними. Але що далі від континенту, то більше лід розтягується в напрямку моря. Це напруження до того, що відбувається у різних фізичних властивостях у різних напрямках — явища, відомого як анізотропія, подібне до того, як колода легше розщеплюється вздовж волокон, ніж поперек.

«Наше дослідження показало, що більша частина льодового шельфу є анізотропною, — повідомляє автор першого дослідження Йонджі Ван, який проводив роботу як постдокторант в лабораторії Лай. — Зона стиснення біля наземного льоду становить менше 5% шельфу, тоді як решта 95% — це зона розтягнення, яка не підкоряється тим самим законам». Ван, який ніні працює постдокторантом у Нью-Йоркському університеті, додав: «Раніше про це здогадувалися, але ніколи не підтверджували. Тепер, строго використовуючи новий метод йму математичний підхід, ми знаємо, що моделі прогнозування майбутньої еволюції Антарктиди не мають анізотропії».

Розуміння рухів льодового щита набуває дедалі більшого значення в умовах зростання глобальних температур. Підвищення рівня моря вже посилює повені в низинах, прискорює ерозію узбережжя та знижує наслідки штормів. Досі багатьох моделей припускали, що лід Антарктиди має однакові властивості в усіх напрямках, хоча вчені знали, що це спрощення. Робота Лай, Вана та їхні колеги остаточно довели, що сучасні конститутивні моделі не відображають реальних рухів льоду, які фіксують супутники.

Поки що дослідники не знають точних причин анізотропії в зоні розтягнення, але планують удосконалювати аналіз із новими даними. Їхні висновки можуть допомогти краще зрозуміти напруження, що викликає тріщини чи відламування величезних шматків льоду, а також стати основою для створення складніших моделей льодового щита. Ця робота — перший крок до побудови поточного прогнозу умов, з якими ми зіткнемося в майбутньому.

Лай та її команда також вважають, що поєднання зовнішніх даних, фізичних законів і глибокого навчання може розкрити фізику інших природних процесів. Вони сподіваються, що їхній підхід сприятиме новим науковим відкриттям і співпраці з дослідниками наук про Землю. «Ми хочемо показати, що штучний інтелект може відкривати нові знання, — сказала Лай. — Він має базуватися на фізичних законах, але цей комбінований підхід дозволяє нам дізнатися більше про фізику льоду й може стимулювати нове розуміння процесів на Землі та інших планетах у природних умовах».