Полярная криосфера и воды суши

Вклад России в Международный полярный год 2007/08 
Series: Contribution of Russia to International Polar Year 2007/08

Полярная криосфера 
и воды суши

Polar Сryosphere and 
Сontinental Waters

Главный редактор тома
В.М. Котляков

Editor-in-chief
V.M. Kotlyakov

Редакционная коллегия

Д.А. Гиличинский, В.Г. Дмитриев, Д.С. Дроздов, 
В.Я. Липенков, М.Ю. Москалевский, И.А. Шикломанов

Editorial Board

D.A. Gilichinsky, V.G. Dmitriev, D.S. Drozdov, 
V.Ya. Lipenkov, M.Ju. Moskalevsky, I.A. Shiklomanov

Paulsen Editions. Москва – Санкт-Петербург
2011

Paulsen Editions. Moscow – Saint-Petersburg 
2011

KRIOSPHERA maket.indd   1
10/3/11   10:32:29 AM

УДК [551.3+551.58+556](211)
BBК 26

Полярная криосфера и воды суши. – М.: Paulsen, 2011. – 320 с.: ил. –  
ISBN 978-5-98797-044-7

Макет, верстка Д.П. Глазков, А.В. Гончарова

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ ПО УЧАСТИЮ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В ПОДГОТОВКЕ  
И ПРОВЕДЕНИИ В 2007–2008 гг. 
МЕЖДУНАРОДНОГО ПОЛЯРНОГО ГОДА

Редакционный совет 

А.И. Бедрицкий (сопредседатель)
А.Н. Чилингаров (сопредседатель)
В.М. Котляков (заместитель председателя)
Ю.Г. Леонов (заместитель председателя)
Г.Г. Матишов (заместитель председателя)
И.Е. Фролов (заместитель председателя)
В.Г. Дмитриев (ответственный секретарь)

Л.И. Абрютина, Г.В. Алексеев, Е.Н. Андреева, И.М. Ашик, В.Г. Блинов, 
Д.А. Гиличинский, В.М. Грузинов, А.И. Данилов, Г.Н. Дёгтева, В.В. Денисов, 
Д.С. Дроздов, Н.А. Зайцева, В.Д. Каминский, А.В. Клепиков, Ю.А. Лаврушин, 
Г.Л. Лейченков, В.Я. Липенков, В.М. Макеев, В.А. Мартыщенко,  
М.Ю. Москалевский, И.И. Мохов, А.В. Неелов, В.Ф. Радионов, Л.А. Тимохов, 
А.А. Тишков, А.В. Фролов, И.Е. Фролов, В.Н. Шеповальников, И.А. Шикломанов

Серия «Вклад России в Международный полярный год 2007/08»:
Полярная атмосфера
Океанография и морской лёд
Полярная криосфера и воды суши
Строение и история развития литосферы
Наземные и морские экосистемы 
Качество жизни и социально-экономическое развитие полярных регионов
Итоги МПГ 2007/08 и перспективы российских полярных исследований 

Фотография на суперобложке «Выводной ледник Шохальского. Арх. Новая Земля». 
Фото А. Ф. Глазовского

© Paulsen ААНИИ

© Paulsen AARI
ISBN 978-5-98797-044-7

KRIOSPHERA maket.indd   2
10/3/11   10:32:30 AM



ПРЕДИСЛОВИЕ

Академик В.М. Котляков

Институт географии РАН, г. Москва, Россия

В серии томов, содержащих результаты исследований Международного полярного года 2008–2009, эта книга занимает особое место. В ней приводятся результаты исследования криосферы Земли и природных процессов, протекающих 
в криосфере полярных широт. Работы, послужившие основой публикуемых статей, выполнены в ряде институтов Российской академии наук и Росгидромета на 
базе прежде всего полевых исследований, проведённых в Арктике и Антарктике. 
Это грандиозное научное мероприятие – четвёртое в череде комплексных международных программ изучения полярных областей Земли.
Первый Международный полярный год (МПГ) состоялся в 1882–1883 гг. В 
нём принимали участие 12 стран, организовавших двенадцать станций в Северном 
полушарии и две в Южном, на которых проводились геомагнитные и метеорологические наблюдения, включая наблюдения за полярными сияниями. Результаты 
Первого МПГ подтвердили основную идею, высказанную его организатором австрийским учёным К. Вайпрехтом, – исследования полярных областей на основе 
многостороннего международного сотрудничества приносят гораздо более значительные результаты, нежели те, которые могут быть достигнуты в ходе отдельных 
национальных экспедиций.
Второй МПГ состоялся в 1932–1933 гг. В нём принимало участие 44 страны, 
организовавших дополнительные метеорологические и геомагнитные станции в 
Арктике, а также специальные экспедиции с использованием судов и самолётов. 
Количество станций в Арктике достигло 27, в Антарктике 7, была организована система сбора информации о природе в Арктике и её влиянии на соседние регионы.
В 1957–1958 гг., т.е. спустя 25 лет после Второго МПГ, состоялся 
Международный геофизический год. Он проводился усилиями 67 стран и совпал 
с периодом максимума солнечной активности. Это было крупнейшее международное мероприятие, в ходе которого были сделаны уникальные научные открытия, создана постоянно действующая сеть научных и оперативных наблюдений в 
Антарктиде, проведены морские экспедиции в Южном океане, запущен первый 
искусственный спутник Земли.
В последующие годы потребность в исследованиях полярных областей резко 
возросла. Наблюдающееся в последние годы изменение климата, особенно резко 
выраженное в полярных областях, развитие промышленной инфраструктуры в 
Арктике, в частности, открытие и разработка нефтегазоносных месторождений 
арктического шельфа, изменение в силу этих причин социального положения 
народов Севера, необходимость дальнейшего изучения роли полярных областей 
в формировании климата планеты требовали крупномасштабных международных исследований полярных регионов. Именно поэтому мировая научная общественность выдвинула инициативу проведения Международного полярного года 
2007–2008.
Международный полярный год был организован спустя 50 лет после 
Международного геофизического года (1957–1958) в соответствии с согласованным решением Международного совета науки (ICSU) и Всемирной метеорологи
KRIOSPHERA maket.indd   3
10/3/11   10:32:31 AM



ческой организации (WMO). В этом грандиозном научном предприятии активное 
участие приняли Российская академия наук, Росгидромет, Министерство природных ресурсов и другие ведомства. Главная задача работ заключалась в оценке состояния природной среды полярных районов Земли и её изменений за последние 
50 лет, оценке предстоящих изменений климата полярных регионов Российской 
Арктики, разработке сценариев будущего изменения природы полярных районов 
и научных основ политики России в освоении северных территорий.
Основное содержание проведённых исследований заключалось в систематизации наших знаний о природной среде полярных районов Земли; оценке проявления глобальных изменений в разных компонентах природной среды Арктики и 
Антарктики; создании моделей глобального климата в полярных областях, включающих основные компоненты природы: атмосферу, океан, морские льды и ледники, снежный покров и вечную мерзлоту. Выполненные исследования позволяют 
обосновать перспективы развития и хозяйственного освоения полярных областей 
и создать концепцию активного присутствия России в Арктике и Антарктиде.
Эта крупнейшая научная программа современности преследовала следующие 
цели: оценить и понять изменения окружающей среды и состояния народонаселения в полярных регионах в прошлом, настоящем и будущем; улучшить понимание связей и взаимодействия во всех масштабах между полярными регионами 
и остальной частью планеты; исследовать новые рубежи науки в полярных регионах; использовать уникальное положение полярных регионов и улучшить сеть 
научных полярных станций, изучающих процессы, происходящие на Земле, на 
Солнце и в космосе; изучить культурные, исторические и социальные процессы, 
формирующие устойчивость циркумполярных человеческих сообществ, и определить их уникальный вклад в разнообразие общечеловеческой культуры и общества.
В целом научные проекты МПГ 2007–2008 охватывали такие области знаний, 
как геофизика, геология, метеорология, океанология, гляциология, биогеография, геоэкология и социальные науки. Искусственные спутники Земли, измеряющие параметры состояния окружающей среды, мощные самолёты, вертолёты, 
ледоколы, научно-исследовательские суда, автоматические погодные станции, 
заякоренные и дрейфующие буи – эти технические средства вместе с Интернетом 
и иерархией компьютеров создали уникальную техническую базу исследований, 
позволившую получить новые оригинальные материалы.
Большую лепту в работы по МПГ внесли коллективы учёных Российской академии наук. В 2006–2008 гг. эти работы были организованы в рамках программы 
«Природные процессы в полярных областях Земли и их вероятное развитие в ближайшие десятилетия», включённой в качестве самостоятельной части в программу Президиума РАН П-16. В них участвовали многие институты Отделения наук 
о Земле, включая Сибирское отделение РАН. Со стороны Росгидромета основной 
объём работ пришёлся на Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, выполнивший широкий спектр исследований в полярных морях, 
на Антарктическом материке и островах Российской Арктики.
Главными направлениями работ были такие:
в области изучения физики атмосферы и климата – моделирование и диагностика климатического режима, малых газовых примесей, динамических и химических процессов в атмосфере полярных и субполярных районов, изменения 
снежности Северной Евразии в связи с атмосферными процессами, численное 
моделирование влияния движения магнитных полюсов Земли на структуру ионосферы и термосферы;

KRIOSPHERA maket.indd   4
10/3/11   10:32:31 AM



в области океанологии – природные процессы в Южном и Северном Ледовитом 
океанах во взаимодействии с прилегающими районами континентального склона 
и ложа океана, островами и материками;
в области гляциологии и геокриологии – современное состояние оледенения в 
Арктике, неустойчивость ледников и откалывание айсбергов, сток льда и баланс 
массы ледникового покрова Восточной Антарктиды, динамика и пограничные 
состояния, а также реакция арктических и субарктических почв на изменения условий на Земле;
в области геоэкологии и биогеографии – загрязнение полярной атмосферы в 
приполюсных районах, поступление стойких техногенных токсикантов в окружающую среду и распределение их по трофическим цепям, изучение численности 
и ареалов животных и растений в полярных областях в условиях меняющегося 
климата и хозяйственного освоения Севера;
в области геологии и геофизики – тектоно-магматическая эволюция шельфа и континентального склона, современное поле напряжений, сейсмичность 
и геодинамика Северной полярной области, эволюция рельефа и отложений 
Кольского региона в голоцене, термическая эволюция и глубинные температуры 
Евразийского бассейна Арктики, биполярная машина климата и океанские ворота Северного Ледовитого океана;
в области археологии и социальных наук – природные условия эпохи древнейшего заселения человеком Северной Евразии в позднем плейстоцене и голоцене, 
памятники русской истории на архипелаге Шпицберген, надёжность и сохранность хозяйственной и социальной инфраструктуры, а также жизненных условий 
малых народов Севера в условиях современного развития северных территорий 
России, поиски путей устойчивого развития природных и социально-экономических систем в Северной полярной области.
В этом томе приводятся результаты исследований криосферных и смежных 
природных явлений. Вместе взятые, они дают цельное представление о вкладе 
российской науки в программу Международного полярного года 2007–2008.

KRIOSPHERA maket.indd   5
10/3/11   10:32:32 AM



Внутригодовые изменения высоты поверхности 
Антарктического ледникового покрова 

Л.Н. Васильев, В.М. Котляков, А.Б. Качалин, 
М.Ю. Москалевский, А.С. Тюфлин

Представлено теоретическое обоснование природы флуктуаций поверхности Антарктического ледникового покрова. Высоты поверхности Антарктиды определены в течение 12 серий лазерных измерений с космической системы 
ICESat в период с февраля 2004 года по февраль 2008 года. Измерения высот 
произведены вдоль проекций орбит через 170 метров в элементе пространственного разрешения 60 сантиметров. Дополнительно использованы величины 
суточных атмосферных осадков в клетках регулярной одноградусной сетки, 
полученные в Глобальном Климатологическом Проекте Атмосферных Осадков 
(GPCP). Оценено взаимодействие изменения высот поверхности с выпадением 
снега и метелевым переносом. Изменение высот поверхности соответствует 
Винеровскому процессу броуновского движения. На этом основании выводится заключение о существовании динамического равновесия Антарктического 
ледникового покрова.

Введение

Сомнения в адекватности современных моделей поведения Антарктического ледникового щита продолжают оставаться. Геофизические основания этих 
моделей, развитых преимущественно в 1990-х годах, с тех пор мало изменились, но результаты многих современных измерений уже не соответствуют 
этим моделям (Payne et al., 200). В последние годы утвердилось мнение о 
необходимости пересмотра природы изменений поверхности Антарктического 
щита. В большинстве работ, рассматривающих сезонные и годовые изменения поверхности щита по кратковременным измерениям радиолокационной 
аппаратурой ERS-1 и ERS-2, предпринимаются попытки определения баланса 
ледовых масс. В работе (Wingham et al., 200) представлены попытки связать баланс льда за 1992–2003 гг. с изменением высот поверхности с пространственным разрешением около 10 км. Результаты оценок разных авторов 
различны, а погрешность менее чем за 10 лет нередко достигает 100%, что 
сопоставимо с самим изменением (Rémy et al., 2002; Rémy, Frezzotti, 200). Замечено, что изменчивость поверхности ассоциируется с изменением режима 
движения льда на участках протяженностью около 40 км. Однако попытки 
сопоставить изменения высот поверхности со скоростью аккумуляции оказываются неудачными из-за нехватки достоверных данных о толщине фирна в 
моделях аккумуляции (Helsen et al., 2008).
Предшествующие исследования изменений высот не располагали достоверными временными рядами атмосферных осадков, и поэтому понимание 

Институт географии РАН, г. Москва, Россия

KRIOSPHERA maket.indd   6
10/3/11   10:32:32 AM



изменчивости сезонной и годовой аккумуляции не могло быть достоверным  
(Van der Veen, 199). Настоящая работа основана на сочетании измерений высот ICESat и суточных атмосферных осадков в одноградусной сетке, полученных по программе глобальных атмосферных осадков (GPCP)  
(Котляков и др., 2008, 2009). Это позволило оценивать поступление снежных 
масс и их связь с изменением реальной поверхности.

Исходные данные

Измерения высот поверхности с покрытием от 86° с.ш. до 86° ю.ш. выполняются по 1354 орбитам вдоль треков с 91-дневным повторяющимся циклом 
с пространственным интервалом 175 м в пятне (элементе разрешения) 60 м.  
С борта ICESat с февраля 2004 г. до марта 2008 г. получено 12 повторных измерений вдоль отдельных треков с 25 000–27 000 элементами разрешения в 
каждом их них. Точность измерения высот порядка ±3 см (Schutz et al., 200). 
Эти измерения ICESat существенно точнее предыдущих радарных измерений с 
космических систем ERS-1 и ERS-2, определявших высоты поверхности в пятне 
диаметром 2–3 км и позволявших измерять их относительно надежно на поверхности с наклоном менее 1° (Fricker et al., 2009; Pritchard et al., 2009; King et al., 
2009). Измерения ICESat дали возможность оценить изменения высот поверхности и понять их поведение.
Основная задача наших исследований – оценить величины флуктуаций поверхности на разных масштабных уровнях – от нескольких метров до сотен километров, и объяснить природу флуктуаций в связи с динамическим балансом 
ледовых масс.
На первом этапе мы определяли изменения поверхности вдоль 12 повторных треков в 2004–2008 гг. в следующей последовательности дней измерений: 0, 
91, 230, 367, 458, 612, 736, 827, 981,1118, 1323, 1461. Поскольку проекции орбит 
при повторном прохождении и положение элементов разрешения не совпадают, 
предварительно выполнялось трансформирование всех 12 треков в одну систему 
координат путем интерполяции измерений по трехмерной модели Антарктиды 
с пространственным разрешением 500 м. В результате вся серия измерений из 
12 треков была преобразована в систему координат одного из треков с совмещением всех 12 элементов разрешения.
Изменение высоты точки поверхности определены как разность двух последовательных измерений в интервале времени Δt как h(Δt) = A(t + 1) − A(t). 
Для трека одномерные измерения будут представлены в виде h(x,Δt), где 
x – положение элемента разрешения на треке. Для измерений на поверхности в виде регулярной сетки изменение высот принимает вид h(x, y, Δt). Для 
серии измерений в 12 кампаниях массив данных может быть представлен как 
hi(x, y, Δt), где i = 0, ..., 11.

Анализ данных

На первом этапе, чтобы избежать дополнительных ошибок, связанных 
с интерполяцией для построения регулярной сетки, обработаны измерения 
вдоль вертикальных профилей по отдельным трекам. Это позволило получить оценки изменений высот h(x, Δt) с максимально возможной точностью 
измерений ICESat.

KRIOSPHERA maket.indd   7
10/3/11   10:32:33 AM

Поведение вертикального профиля вдоль трека № 255 по 12 последовательным измерениям с февраля 2004 по февраль 2008 гг. может быть выражено средним значением высоты и средним квадратическим отклонением 
высоты в каждой точке, что представлено на рис. 1. Изменения высот, т.е. 
флуктуации поверхности, нуждаются в физическом толковании и анализе 
динамического поведения вертикального профиля. Помимо космической лазерной альтиметрии с борта ICESat привлечены также измерения суточных 
атмосферных осадков в одноградусной сетке по данным Global Precipitation 
Climatology Project (GPCP), что позволило проанализировать связи флуктуаций поверхности с атмосферными осадками, ветровым переносом снега и 
вертикальной составляющей движения льда.
Определение вертикальной скорости показано на рис. 2. Вертикальная скорость на участке профиля v выводится из зависимости                      , 
где угловые скобки означают осреднение изменения высот на всем участку 
профиля, P – величина выпавших осадков в снежном эквиваленте при плотности снега 0,33 г/см3, Δt – интервал времени. Однако полученное значение 
вертикальной скорости отнюдь не означает существование равномерной скорости в условиях изменения амплитуды флуктуаций h(x, Δt). Пример флуктуации поверхности участка Восточной Антарктиды представлен на рис. 3.
Флуктуации поверхности определены на разных пространственных масштабах: на протяженных участках поверхности и на элементах разрешения 
размером 60 м. В последнем случае становится заметным влияние шума, 
связанного с шероховатостью поверхности в пределах элемента разрешения 
и точностью собственных измерений.
Ветровой перенос снега формирует на поверхности Антарктического ледникового щита упорядоченные динамичные пространственные структуры с признаками масштабного самоподобия (скейлинга) в процессе флуктуации высот точек 
поверхности. Флуктуация поверхности вдоль вертикального профиля представляет собой винеровский процесс броуновского движения (Mandelbrot, 1982). Это 
нестационарный стохастический гауссовый процесс с нулевым средним, определяемый показателем Херста (0 < H < 1). Нормированная дисперсия D(s) = σ(s)2 
изменений высот h(x, Δt) зависит от величины пространственного смещения 
(лага) s

                                 , 
 
 
 
 
(1)

где h(s), h(0) – изменения высот в точках вдоль трека, σ0
2 – дисперсия изменения высот точек трека, а H – показатель Херста (0 < H < 1). Отсюда следует, что 
среднее квадратическое отклонение изменений высот имеет скейлинговую зависимость

σ(bs) = bHσ(s), 
 
 
 
 
 
 
(2)

т.е. при увеличении пространственного смещения на величину b превышение возрастает пропорционально bH (рис. 4).
Показатель Херста H характеризует степень флуктуаций изменения высот, 
а при H = 0,5 соответствует случайному блужданию. Заметим, что при H = 0,5 
корреляция прошлых приращений h(−s) и будущих h(s) отсутствует при всех 
s, как и должно быть для случайного процесса с независимыми приращениями. Пример оценки поведения флуктуаций приведен на рис. 5. Однако при 

8

KRIOSPHERA maket.indd   8
10/3/11   10:32:35 AM

Рис. 1. Стандартные отклонения изменения высот вдоль трека 2 с февраля 
200 до февраля 2008 гг. (а), гистограмма стандартных отклонений изменения 
высот, подчиняющаяся степенному распределению (б), и проекции орбит ICESat, 
измерения вдоль которых использованы в работе (в).
Примечание к рис. 1, б: Максимум значений σh расположен на величине 1 см; показатель 
степени α для разных районов Антарктики может быть в интервале α = [1,, 1,9], но степенное 
распределение всегда сохраняется

Рис. 2. Изменение высот и величины атмосферных осадков вдоль трека № 2 
с 200 по 200 г. Синим цветом показан вертикальный профиль, зеленым – 
атмосферные осадки (в водном эквиваленте), красным – изменение высот. 
<P> = ,8 см, <Δh> = 1, см, вертикальная скорость – 0±10 мм/год

KRIOSPHERA maket.indd   9
10/3/11   10:32:46 AM

Рис. . Флуктуация высот вдоль трека № 128 с февраля 200 по февраль 2008 г.
Выделены три зоны A, B, C, характеризующиеся следующими значениями:

А: <Δh> = −, см, σh =  см; В: <Δh> = 2 см, σh =  см;
C: <Δh> = − см, σh = 2 см

Рис. . Определение показателя Херста на графике в двойном логарифмическом 
масштабе зависимости значений дисперсии изменения превышений относительно 
пространственного лага

Рис. . Связь флуктуации высот с показателем Херста H и фрактальной 
размерностью D на разных участках вертикального профиля

KRIOSPHERA maket.indd   10
10/3/11   10:32:55 AM