Mätning av havsis
Mätning av havsis är viktigt för sjöfartens säkerhet och för att övervaka miljön , särskilt klimatet . Havsisens utbredning interagerar med stora klimatmönster som Nordatlantens oscillation och Atlantic Multidecadal Oscillation , för att bara nämna två, och påverkar klimatet i resten av jordklotet.
Mängden havsis täckning i Arktis har varit av intresse i århundraden, eftersom Nordvästpassagen var av stort intresse för handel och sjöfart. Det finns en lång historia av registreringar och mätningar av vissa effekter av havsisens utbredning, men omfattande mätningar var sparsamma fram till 1950-talet och började med satelliteran i slutet av 1970-talet. Moderna direktregistreringar inkluderar data om isens utbredning, isarea, koncentration, tjocklek och isens ålder. De aktuella trenderna i journalerna visar en signifikant minskning av havsisen på norra halvklotet och en liten men statistiskt signifikant ökning av havsisen på södra halvklotet på vintern .
Vidare omfattar och etablerar aktuell forskning omfattande uppsättningar av historiska dokument från flera århundraden av arktisk och subarktisk havsis och använder bland annat högupplösta paleo-proxy havsis. Den arktiska havsisen är en dynamisk klimatsystemkomponent och är kopplad till den atlantiska multidekadala variationen och det historiska klimatet under olika decennier. Det finns cirkulära förändringar av havsismönster men än så länge inga tydliga mönster baserat på modelleringsförutsägelser.
Metoder för att mäta havsis
Tidiga observationer
Uppteckningar samlade av vikingar som visar antalet veckor per år som is förekom längs Islands nordkust går tillbaka till år 870 e.Kr., men en mer komplett registrering finns sedan 1600. Mer omfattande skriftliga uppgifter om arktisk havsis går tillbaka till mitten av 18:e århundrade. De tidigaste av dessa uppgifter gäller sjöfartsleder på norra halvklotet, men uppgifterna från den perioden är sparsamma. Lufttemperaturrekord som går tillbaka till 1880-talet kan fungera som en stand-in (proxy) för arktisk havsis, men sådana temperaturrekord samlades till en början bara in på 11 platser. Rysslands arktiska och antarktiska forskningsinstitut har sammanställt iskort som går tillbaka till 1933. Idag kan forskare som studerar arktiska havsistrender förlita sig på ett ganska omfattande rekord som går tillbaka till 1953, med hjälp av en kombination av satellitposter, sjöfartsrekord och iskort från flera länder.
I Antarktis är direkta data före satellitposten ännu glesare. För att försöka utöka den historiska historiken över havsisens utbredning längre tillbaka i tiden, har forskare undersökt olika proxies för havsisens utbredning. En är register som förs av antarktiska valfångare som dokumenterar platsen för alla fångade valar och relaterar direkt till havsisobservationer. Det verkar finnas en abrupt nedgång i mitten av 1900-talet i Antarktis havsis utbredning från valfångst, de direkta globala uppskattningarna av Antarktis havsis täckning från satellitobservationer, sedan 1970 ger inga tydliga trender. Eftersom valar tenderar att samlas nära havsiskanten för att äta, kan deras lägen vara en proxy för isens utbredning. Andra proxies använder närvaron av fytoplankton-härledda organiska föreningar och andra spår av extremofiler i Antarktis iskärnor och sediment. Eftersom växtplankton växer mest rikligt längs kanterna på ispacken, ger koncentrationen av dessa svavelhaltiga organiska föreningar och deras geokemi indikatorer på hur långt iskanten sträckte sig från kontinenten. Det finns ytterligare omfattande uppsättningar av historiska dokument från flera sekel över arktisk och subarktisk havsis och användningar, bland annat högupplösta paleo-proxy-havisrekord.
Satelliter
Användbara satellitdata om havsis började i december 1972 med instrumentet Electrically Scanning Microwave Radiometer (ESMR). Detta var dock inte direkt jämförbart med den senare SMMR/SSMI, och så det praktiska rekordet börjar i slutet av 1978 med lanseringen av NASA:s Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) satellit., och fortsätter med Special Sensor Microwave/Imager (SSMI) . Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR) och Cryosat-2 tillhandahåller separata register.
Sedan 1979 har satelliter tillhandahållit en konsekvent kontinuerlig registrering av havsis. Rekordet förlitar sig dock på att sammanfoga mätningar från en serie olika satellitburna instrument, vilket kan leda till fel associerade med interkalibrering över sensorändringarna. Satellitbilder av havsis är gjorda från observationer av mikrovågsenergi som utstrålas från jordens yta. Eftersom havsvatten avger mikrovågor på ett annat sätt än havsis, "ser" isen annorlunda ut från vatten till satellitsensorn – se modellering av havsis-emissivitet . Observationerna bearbetas till digitala bildelement, eller pixlar. Varje pixel representerar en kvadratisk yta på jorden. De första instrumenten gav cirka 25 kilometer gånger 25 kilometers upplösning; senare instrument högre. Algoritmer undersöker mikrovågsutsläppen och deras vertikala och horisontella polarisationer och uppskattar isytan.
Havsis kan betraktas i termer av total volym, eller i termer av arealtäckning. Volymen är svårare, eftersom det kräver kunskap om isens tjocklek, vilket är svårt att mäta direkt; insatser som PIOMAS använder en kombination av observationer och modellering för att uppskatta den totala volymen.
Det finns två sätt att uttrycka det totala polaristäcket: isarea och isutbredning. För att uppskatta isarean beräknar forskarna procentandelen havsis i varje pixel, multiplicerar med pixelarean och summerar mängderna. För att uppskatta isens utbredning sätter forskare en tröskelprocent och räknar varje pixel som möter eller överskrider den tröskeln som "istäckt". Den gemensamma tröskeln är 15 procent.
Det tröskelbaserade tillvägagångssättet kan verka mindre korrekt, men det har fördelen att det är mer konsekvent. När forskare analyserar satellitdata är det lättare att säga om det finns eller inte finns minst 15 procent istäcke i en pixel än det är att säga till exempel om istäcket är 70 procent eller 75 procent. Genom att minska osäkerheten i mängden is kan forskarna vara säkrare på att förändringar i havsisen över tid är verkliga.
En noggrann analys av satellitradars höjdmätningsekon kan skilja mellan de som sprids tillbaka från det öppna havet, nyis eller flerårig is. Skillnaden mellan höjden av ekona från snö/havis och öppet vatten ger isens höjd över havet; istjockleken kan beräknas utifrån detta. Tekniken har en begränsad vertikal upplösning – kanske 0,5 m – och är lätt förvirrad av närvaron av även små mängder öppet vatten. Därför har den mest använts i Arktis, där isen är tjockare och mer sammanhängande.
Ubåtar
Från och med 1958 samlade amerikanska flottans ubåtar in uppåtriktade ekolodsprofiler för navigering och försvar och omvandlade informationen till uppskattningar av istjockleken. Data från amerikanska och kungliga marinens ubåtar tillgängliga från NSIDC inkluderar kartor som visar ubåtsspår. Data tillhandahålls som isdragsprofiler och som statistik härledd från profildata. Statistikfiler innehåller information om isdragsegenskaper, kölar, plan is, ledningar, odeformerad och deformerad is.
Bojar
Bojar placeras på isen för att mäta isegenskaper och väderförhållanden av deltagarna i International Arctic Booy Program och dess syster, International Program for Antarctic Booys . Bojar kan ha sensorer för att mäta lufttemperatur , atmosfärstryck , bojposition istillväxt/smältning, istemperatur, havsströmmar , havsisrörelse, havsnivåtryck, havsyttemperatur, hudtemperatur, ytlufttemperatur, ytvindar och vattentemperatur .
Uppåtriktad ekolod
Uppåtriktade ekolodsenheter (ULS) kan placeras ut under polarisen under en period av månader eller till och med år, och kan ge en komplett profil av istjockleken för en enda plats.
Hjälpobservationer
Hjälpobservationer av havsis görs från strandstationer, fartyg och från flygplan .
Även om fjärravkända data under de senaste åren har kommit att spela en stor roll i havsisanalys, är det ännu inte möjligt att sammanställa en fullständig och korrekt bild av havsisförhållandena enbart från denna datakälla. Hjälphavisobservationer spelar en viktig roll för att bekräfta fjärravkänd isinformation eller ge viktiga korrigeringar av den övergripande bilden av isförhållandena.
Den viktigaste hjälphavisens observation är iskantens läge. Dess värde återspeglar både vikten av iskantens placering i allmänhet och svårigheten att exakt lokalisera iskanten med fjärravkända data. Det är också användbart att ge en beskrivning av iskanten i termer av indikationer på frysning eller upptining, vinddriven framryckning eller reträtt, och kompakthet eller diffusitet. isbergens läge , floebergs, isöar, gammal is, ås och hummocking. Dessa isdrag övervakas dåligt av fjärranalystekniker men är mycket viktiga aspekter av istäcket.
Typer av mått
Havsisens utbredning
Havsis utbredning är det område av havet med en specificerad mängd is, vanligtvis 15 %. För satellitmikrovågssensorer verkar ytsmältan vara öppet vatten snarare än vatten ovanpå havsisen. Så även om de är tillförlitliga för att mäta area större delen av året, är mikrovågssensorerna benägna att underskatta den faktiska iskoncentrationen och arean när ytan smälter.
Havsis området
För att uppskatta isarean beräknar forskare procentandelen havsis i varje pixel, multiplicerar med pixelarean och summerar mängderna. För att uppskatta isens utbredning sätter forskare en tröskelprocent och räknar varje pixel som möter eller överskrider den tröskeln som "istäckt". National Snow and Ice Data Center , ett av NASA:s distribuerade aktiva arkivcenter, övervakar havsisens utbredning med en tröskel på 15 procent.
Havsis koncentration
Havsiskoncentration är procentandelen av ett område som är täckt med havsis.
Havsis tjocklek
Havsisens tjocklek ökar med tiden och ökar när vindar och strömmar trycker ihop isen. Europeiska rymdorganisationens Cryosat-2- satellit lanserades i april 2010 i en strävan att kartlägga tjockleken och formen på jordens polära istäcke. Dess enda instrument – en SAR/interferometrisk radarhöjdmätare kan mäta havsisens fribord .
Havsistiden
Isens ålder är en annan viktig beskrivning av tillståndet för havsisen, eftersom äldre is tenderar att vara tjockare och mer motståndskraftig än yngre is. Havsisen avvisar salt med tiden och blir mindre salt vilket resulterar i en högre smältpunkt . Ett enkelt tillvägagångssätt i två steg klassificerar havsisen i förstaårs- och flerårsis. Första året är is som ännu inte överlevt en sommarsmältningssäsong, medan flerårig is har överlevt minst en sommar och kan bli flera år gammal. Se havsisens tillväxtprocesser .
Havsis massbalans
Havsis massbalans är balansen mellan hur mycket isen växer på vintern och smälter på sommaren. För arktisk havsis sker praktiskt taget all tillväxt på botten av isen. Smältning sker på både toppen och botten av isen. I de allra flesta fall smälter all snö under sommaren, vanligtvis på bara ett par veckor. Massbalansen är ett kraftfullt koncept eftersom det är den stora integratören av värmebudgeten. Om det blir en nettoökning av värmen kommer isen att tunnas ut. En nettokylning kommer att resultera i tjockare is.
Att göra direkta mätningar av massbalansen är enkelt. En uppsättning pålar och tjockleksmätare används för att mäta ablation och ansamling av is och snö i toppen och botten av istäcket. Trots vikten av massbalansmätningar och den relativt enkla utrustning som ingår i att göra dem, finns det få observationsresultat. Detta beror till stor del på kostnaden för att driva ett långsiktigt fältläger för att fungera som bas för dessa studier.
Havsis volym
Det finns inga arktiska eller antarktiska mätningar av volymen av havsis, men volymen av den arktiska havsisen beräknas med hjälp av Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System (PIOMAS) utvecklat vid University of Washington Applied Physics Laboratorium/Polarvetenskapscentrum. PIOMAS blandar satellitobserverade havsiskoncentrationer i modellberäkningar för att uppskatta havsisens tjocklek och volym. Jämförelse med ubåts-, förtöjnings- och satellitobservationer bidrar till att öka förtroendet för modellresultaten.
ICESat var en satellit utrustad med laserhöjdmätare, som kunde mäta isflödenas fribord. Dess aktiva tjänsteperiod var från februari 2003 till oktober 2009. Tillsammans med en uppsättning hjälpdata som isdensitet, snötäckestjocklek, lufttryck, vattensalthalt kan man beräkna flödestjockleken och därmed dess volym. Dess data har jämförts med respektive PIOMAS-data och en rimlig överensstämmelse har hittats.
Cryosat-2 , som lanserades i april 2010, har förmågan att mäta fribord av isflöden, precis som ICESat , bara att den använder radar istället för laserpulser. Data beräknas med PIOMAS-modellen.
Trender i data
Pålitliga och konsekventa rekord för alla årstider är endast tillgängliga under satelliteran, från 1979 och framåt.
Norra halvklotet
Enligt vetenskapliga mätningar har både tjockleken och utbredningen av sommarhavsisen i Arktis visat en dramatisk nedgång under de senaste trettio åren.
Södra halvklotet
Rekord före satelliteran är sparsamma. William K. de la Mare, 1997, i Abrupt mitten av 1900-talets nedgång i Antarktis havsis utbredning från valfångst rekord fann en förskjutning söderut i iskanten baserat på valfångst rekord; dessa fynd har ifrågasatts, men senare artiklar av de la Mare och av Cotte stödjer samma slutsats.
De satellitbaserade havsistrenderna i Antarktis visar en uttalad ökning i den centrala Stillahavssektorn med ~4–10 % per decennium och en minskning i Bellingshausen/västra Weddell-sektorn med liknande procentsatser men lägre utsträckning. Det finns en nära koppling till den antarktiska oscillationen av de vidare och effekterna av positiva polariteter av El Niño-södra oscillationen (ENSO) för den senare. Storleken på isförändringarna i samband med AAO och ENSO är mindre än de regionala istrenderna och lokala (eller mindre förstådda storskaliga) processer behöver fortfarande undersökas för en fullständig förklaring.
Användning av 1981 till 2010 som baslinje
Forskare använder genomsnittet 1981 till 2010 eftersom det ger en konsekvent baslinje för jämförelser av havsisens utbredning år till år. Trettio år anses vara en standardbaslinjeperiod för väder och klimat, och satellitrekorden är nu tillräckligt lång för att ge en trettioårig baslinjeperiod.