Лёд и Снег, 2023, T. 63, № 1, стр. 17-32

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в высокогорных районах умеренных широт и в Арктике отмечается возникновение новых ледниковых озёр, связанное с отступанием ледников (Harrison et al., 2018; Nie et al., 2018; Чернов, Ромашова, 2022). Современные исследования указывают на значительное влияние ледниковых озер на внутреннее гидродинамическое состояние полярных ледников (Глазовский, Мачерет, 2014; Fan et al., 2022). Размеры озёр позволяют эффективно применять дистанционные методы для их обнаружения и исследования пространственных характеристик (Strozzi et al., 2012; Чернов, Муравьев, 2020). В Арктике распространены озера с нестабильным режимом стока (прорывные озёра), в результате их взаимодействия с ледниками.

Исследование прорывов ледниково-подпрудных озёр наиболее актуально для горных территорий, где ведётся хозяйственная деятельность. Эти опасные явления создают риски для населения и инфраструктуры, расположенных ниже по течению (Harrison et al., 2018). Хотя катастрофические прорывы озёр в Арктике масштабнее, чем в горных регионах, степень их опасности часто оказывается незначительной из-за отсутствия постоянного населения и инфраструктуры. Исследования этих объектов весьма важны для понимания климатических изменений.

Ледниково-подпрудные озёра многочисленны в Исландии и Гренландии, часто встречаются на Шпицбергене, Новой Земле, Земле Франца-Иосифа, Канадском Арктическом архипелаге. На архипелаге Северная Земля известны два крупных ледниково-подпрудных озера – Фигурное и Спартаковское (Большиянов, Макеев, 1995). С 2014 г. на о. Большевик возобновились гляциологические исследования ледниковых куполов Мушкетова и Семёнова–Тян-Шанского, гидрологические исследования стока крупных рек острова (Большиянов и др., 2016). Получены сведения о снегозапасах в этом районе и режиме озера Спартаковское (Василевич, Чернов, 2018; Чернов, Муравьев, 2020).

Озеро Спартаковское расположено в северо-западной части острова Большевик (рис. 1) – второго по площади острова архипелага Северная Земля. Это одно из крупнейших ледниково-подпрудных озёр восточного сектора Арктики. Ледяная плотина шириной около 3 км, подпруживающая озеро, образована перегораживающим фьорд Спартак выводным ледником купола Семёнова–Тян-Шанского. Западная часть выводного ледника находится на плаву.

Рис. 1.

Район исследований 1 – местоположение озера Спартаковское на о. Большевик.

Fig. 1. Study area 1 – location of Spartakovskoe Lake on Bolshevik Island.

Климат Северной Земли холодный, с продолжительной морозной зимой и коротким холодным летом. Средняя годовая температура воздуха находится в диапазоне от –14 до –13°C (Каталог…, 1980). Летний период на о. Большевик не продолжителен. Положительные температуры воздуха наблюдаются со второй половины июня по конец августа, однако температура воздуха над ур. моря летом нередко опускается ниже 0°C (Брязгин, Юнак, 1988).

Годовое количество осадков в прибрежной зоне составляет 240–260 мм, из которых летом (с июня по август) выпадает около 80 мм (Большиянов, Макеев, 1995). На ледниках в среднем выпадает около 400 мм осадков, из которых 100–120 мм приходится на лето. В течение большей части года атмосферные осадки выпадают в твёрдом виде (до 70% общего количества и более). На высотах более 100 м над ур. моря летом выпадают осадки смешанного типа, и их количество увеличивается с высотой (Брязгин, Юнак, 1988). Толщина снежного покрова в максимум снегонакопления на пологих участках тундры составляет 20–50 см. В частности, весной 2017 г. на платообразных участках северной части о. Большевик (бассейны рек Амба и Мушкетова) средняя измеренная толщина снежного покрова составила 37 см (Василевич, Чернов, 2018).

Площадь водосборного бассейна озера Спартаковское составляет около 167 км², из которых 76.6 ± 1.4 км² в 2016 г. было занято ледниками (Чернов, Муравьев, 2020). Сток в озеро происходит в летнее время, в основном, за счёт таяния сезонного снежного покрова и поверхностной абляции на ледниках и многолетних снежниках, сосредоточенных в южной части его водосборного бассейна. В северной части водосборного бассейна ледников и крупных многолетних снежников нет.

По данным Каталога ледников СССР (Каталог…, 1980) и карты № 48А в Атласе снежно-ледовых ресурсов мира (Атлас…, 1997) в областях питания ледников Северной Земли распространены ледяная и фирново-ледяная зоны льдообразования. На ледниках острова Большевик фирново-ледяная зона, по данным этих работ, отсутствует. Однако в ходе полевых наблюдений 2015 г. на северном склоне ледника Семёнова–Тян-Шанского фирново-ледяная зона льдообразования была отмечена (Большиянов и др., 2016).

Озеро, подпруженное ледником, наполняется в летний период за счёт таяния и жидких осадков. Максимальный уровень воды определяется двумя факторами: 1 – низшая точка водораздела с бассейном р. Базовая на северо-востоке водосборного бассейна – 122.9 м; 2 – высота ледяной плотины на юго-западе (переменная величина). Перелив воды в водосборный бассейн р. Базовая, текущей в море Лаптевых, наблюдался в августе 2016 г. (на спутниковом снимке Sentinel-2 от 01.08.2016). Прорыв озера через ледяную плотину происходит во фьорд Спартак (Карское море). В прошлом прорывы озера Спартаковское были зафиксированы летом 2006 г. и во второй половине августа 2016 г. (Чернов, Муравьев, 2020).

Пока озёрная котловина наполняется водой, стока из озера нет. Следов перелива воды через ледяную плотину в 2016 г. обнаружено не было. Постоянных внутри- или подледниковых каналов стока в ледяной плотине, образованной выводным ледником купола Семёнова–Тян-Шанского, нет. Если бы такие каналы существовали, озеро не наполнялось бы выше определенного уровня и не прорывалось бы вовсе. Кроме того, так как ледники Северной Земли относятся к холодным и характеризуются малой мощностью фирновой толщи (из-за распространения ледяной и фирново-ледяной зон льдообразования), температура льда в них на глубине затухания сезонных колебаний должна быть близка к средней годовой температуре воздуха (Каталог…, 1980; Говоруха, 1989). В работе (Барбаш и др., 1981) по результатам полевых измерений 1974–1976 гг. отмечено, что в подошве активного слоя (на глубине 18 м) на куполе Вавилова температура составляет –11.8°C.

В результате анализа современных спутниковых снимков был обнаружен очередной прорыв озера Спартаковское, произошедший в августе 2021 г. Как и в августе 2016 г. озерная котловина была полностью осушена. Однако это масштабное событие произошло существенно раньше, чем предполагалось (Чернов, Муравьев, 2020).

Цель исследования – определение количественных характеристик произошедшего события и его причины. Для этого были сформулированы ряд задач: определить высоту уреза воды в озере перед прорывом 2021 г.; определить объём воды, спущенной из озера во время прорыва в августе 2021 г.; исследовать изменения высоты ледяной плотины, подпруживающей озеро; определить причины быстрого наполнения водой озёрной котловины в период между прорывами 2016 и 2021 гг.; дополнить результаты исследования предыдущего прорыва озера, представленные в работе (Чернов, Муравьев, 2020); определить области ледяной плотины, под которой происходил прорыв озера в 2016 г.

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

В исследовании использованы следующие данные: спутниковые снимки Sentinel-2 уровня обработки L1C (табл. 1) с пространственным разрешением 10 м и точностью пространственной привязки 11 м с уровнем доверия 95.5% (SENTINEL…, 2022); мозаика цифровой модели рельефа (далее – ЦМР) ArcticDEM v3.0 с пространственным разрешением 2 м (Porter et al., 2018); отдельные ЦМР (фрагменты “strip”) из коллекции ArcticDEM v3.0 (Porter et al., 2018); материалы работы (Чернов, Муравьев, 2020); данные лазерной альтиметрии ICESat-2 и ICESat, полученные с ресурса (https://openaltimetry.org/); данные реанализа метеопараметров ECMWF ERA5 с разрешением 0.5° × 0.5° (https://www.ecmwf.int), полученные с ресурса (Monthly.., 2022); данные наблюдений на научно-исследовательском стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова” (Электронный архив…, 2022).

Все спутниковые снимки, ЦМР и данные лазерной альтиметрии зарегистрированы в проекции UTM (зона 47) на эллипсоиде WGS 1984. Обработка этих данных производилась в программных продуктах ESRI ArcGIS и QGIS.

Дешифрирование границ ледников и многолетних снежников, а также береговой линии озера Спартаковское на разновременных спутниковых снимках выполнено вручную. Снимки для этих целей подбирались на вторую половину августа и начало сентября (конец периода абляции) для минимизации влияния остатков сезонного снежного покрова и снежников-перелетков на результаты дешифрирования. Погрешность определения площади ледников в результате дешифрирования спутниковых снимков Sentinel-2 оценена как произведение протяженности границ ледников на точность пространственной привязки данных снимков (11 м с уровнем доверия 95.5% по данным (SENTINEL…, 2022)).

ЦМР ArcticDEM v3.0 (Porter et al., 2018) применялась для определения объёма озёрной котловины, уровня поверхности выводного ледника купола Семёнова–Тян-Шанского, подпруживающего озеро, границ водосборного бассейна и площади его высотных зон. В работе задействована мозаика с пространственным разрешением 2 м и отдельные ЦМР, созданные в результате обработки стереопар спутниковых снимков WorldView-1, WorldView-2 и WorldView-3 2012–2017 гг. Точность пространственной привязки (в плане) таких снимков без наземных контрольных точек по данным оператора спутников находится в пределах 4, 3.5 и 3.5 м, соответственно.

Все отдельные ЦМР ArcticDEM v3.0 (фрагменты “strip”) перед применением были скорректированы по высоте. Коррекция данных ЦМР по высоте выполнена относительно мозаики ArcticDEM v3.0 с пространственным разрешением 2 м, созданной из скорректированных данных съёмки ICESat и корегистрированных результатов обработки спутниковых снимков WorldView-1, WorldView-2 и WorldView-3 2012–2017 гг. Для этого создана регулярная сетка точек с шагом 100 м, из которой исключены все точки, расположенные на нестабильных поверхностях. К нестабильным отнесены поверхности ледников и снежников (определены на снимках Sentinel-2, сделанных в конце периода абляции 2016 и 2018 гг.), водные поверхности и эрозионные врезы, в которых зимой в результате метелевого перераспределения скапливается большое количество снега (Чернов, Муравьев, 2020). Фактор накопления снега в эрозионных врезах необходимо учитывать, так как отдельные ЦМР ArcticDEM v3.0 созданы из спутниковых снимков, сделанных в разные сезоны, а мозаика ArcticDEM v3.0 может содержать информацию о высотах поверхности накопленного в эрозионных врезах снега, а не информацию о высотах их дна (разница достигает нескольких метров).

Далее регулярной сетке точек, расположенных на стабильных поверхностях, присваивались высоты мозаики ArcticDEM v3.0 и всех отдельных ЦМР ArcticDEM v3.0, использованных в работе. После этого высотные данные отдельных ЦМР (фрагменты “strip”) систематически корректировались на величину медианного отклонения их высоты от высоты поверхности мозаики ArcticDEM v3.0. Например, поверхность фрагмента ЦМР от 11.04.2017  была систематически повышена на 1.62 м – величину медианного отклонения по 2322 точкам от поверхности мозаики. Поверхность фрагмента “strip” ЦМР от 08.08.2017 систематически повышена на 3.33 м – величину медианного отклонения по 870 точкам от поверхности мозаики” (Чернов, Муравьев, 2020).

В документации к ArcticDEM v3.0, приведенной на сайте её разработчиков (https://www.pgc.umn.edu/), отмечено, что точность этой ЦМР в плане и по высоте без наземных контрольных точек находится в пределах 4 м. Анализ отклонений высоты поверхности скорректированных фрагментов ЦМР (“strip”) от высоты поверхности мозаики ArcticDEM v3.0, выполненный в работе (Чернов, Муравьев, 2020), позволил выявить доверительный интервал ±3 м для описанного выше метода корегистрации ЦМР. В этот доверительный интервал попали отклонения значений высоты 92.6% из 2322 точек фрагмента ЦМР от 11.04.2017 и 97.2% из 870 точек фрагмента ЦМР 08.08.2017 от значений высоты мозаики ArcticDEM v3.0, расположенных на стабильных поверхностях. Данная величина (±3 м) принята за вертикальную погрешность при определении объёма воды в озере в зоне покрытия дна озёрной котловины ЦМР из коллекции ArcticDEM v3.0.

Для дополнительной проверки качества корегистрации отдельных ЦМР (фрагменты “strip”) ArcticDEM v3.0, покрывающих участок выводного ледника с купола Семёнова–Тян-Шанского, подобраны две ЦМР, созданные на основе съёмок 07.04.2016 и 15.04.2016 (см. табл. 1). Учитывая малый временнóй интервал между этими съёмками (8 дней) и небольшой наклон поверхности выводного ледника во фьорде, можно предположить, что разница высоты между поверхностями этих ЦМР должна быть очень мала. После коррекции высоты этих ЦМР по регулярной сетке точек, расположенных на стабильных поверхностях, сформировано покрытие разницы высот между поверхностями 7 и 15 апреля 2016 г. Статистический анализ этого покрытия показал, что на  участке выводного ледника площадью около 3.5 км² средняя разница высоты поверхности этих ЦМР составила – 0.07 м, а её среднеквадратичное отклонение по всем ячейкам ЦМР (примерно 873 тыс.) – 0.42 м.

Разновременные данные лазерной альтиметрии ICESat-2 и ICESat, полученные с ресурса (https://openaltimetry.org/), применялись для определения высоты уреза воды в озере и высоты поверхности отдельных участков ледника. В случае ICESat-2 использовался набор данных “ATL06: ATLAS/ICESat-2 L3A Land Ice Height” (Smith et al., 2021). Теоретически более подходящий для теплого сезона, когда озеро не покрыто льдом, набор “ATL13: ATLAS/ICESat-2 L3A Inland Water Surface Height” на район исследований отсутствует. Для определения высоты уреза воды в озере Спартаковское на определенную дату бралось минимальное значение высоты среди точек пересекающего озеро трека ICESat-2 или ICESat, находящихся в пределах поверхности озера. Это позволило минимизировать влияние на результаты измерений многочисленных льдин, плавающих в озере в тёплый период.

В отдельных случаях для компенсации недостаточной частоты съёмки ICESat-2 в 2021 г. при определении высоты уреза воды в озере применялась скорректированная по высоте отдельная ЦМР ArcticDEM v3.0 от 11.04.2017, созданная по данным спутниковых съёмок, произведенных вскоре после прорыва озера 2016 г., и отражающая рельеф большей части (за исключением западной оконечности) дна озёрной котловины. Для минимизации влияния сезонного снежного покрова на результаты измерений, значения высот фиксировались в центре относительно широких (140–150 м и более) и пологих частей озёрной котловины на северо-востоке. Следует отметить, что погрешность определения высоты уреза воды озера по ArcticDEM v3.0 ограничивается не только погрешностями самой ЦМР, но и существенно меньшим, по сравнению с ней, пространственным разрешением спутниковых снимков Sentinel-2 (10 м), непосредственно влияющим на точность определения пространственного положения береговой линии.

Объём воды в озере на конкретную дату определяли как объём пространства, заключенный между высотой уреза воды и расположенной ниже поверхностью ЦМР, построенной в работе (Чернов, Муравьев, 2020), с поправкой на разницу уровня воды 10.09 м между фрагментом ЦМР 08.08.2017, покрывающей участок на западе озёрной котловины, и ЦМР 11.04.2017. Построенная в рамках этой работы ЦМР озёрной котловины и данные ICESat-2 позволили рассчитать объём воды в озере на даты съёмки ICESat-2 с существенным ограничением – ЦМР на западе ограничено положением ледяной плотины 01.08.2016. Однако граница подпруживающего озеро выводного ледника между прорывами 2016 и 2021 гг. постепенно отступала. ЦМР поверхности, освободившейся от ледника в эти годы, отсутствует.

С 01.08.2016 по 06.08.2021 граница подпруживающей озеро ледяной плотины в центральной части отступила на 350–380 м (рис. 2), а площадь поверхности, освобожденной от ледника и многолетних снежников (вдоль юго-западного побережья) и занятой озером, составила 0.49 ± 0.08 км². Это около 7.4% площади озера 01.08.2016 и 8.1% его площади 03.08.2021. Подчеркнем, что данный участок расположен в западной, наиболее глубокой, части озёрной котловины, поэтому его доля в объёме воды в озере должна существенно превышать долю в площади.

Рис. 2.

Границы выводного ледника купола Семёнова–Тян-Шанского в августе 2016 г. (1) и августе 2021 г. (2). В подложке – спутниковый снимок Sentinel-2 от 03.08.2021.

Fig. 2. The boundaries of the Semenov-Tyan-Shansky Glacier in August 2016 (1) and August 2021 (2). On the background – satellite image Sentinel-2 03.08.2021.

Основная часть котловины озера Спартаковское расположена в троговой долине, характеризующейся крутыми (местами более 45°) бортами и широким пологим дном. Это видно на спутниковых снимках Sentinel-2 от 27.08.2016 и 31.08.2021, а также отдельных фрагментах ЦМР ArcticDEM v3.0 от 11.04.2017 и 17.07.2017, отражающих состояние осушенной озёрной котловины. Визуальный анализ снимка Sentinel-2 от 31.08.2021 (рис. 3, б) позволил сделать вывод о том, что дно озёрной котловины на участке, освободившемся от ледника между 01.08.2016 и 06.08.2021, расположено примерно на том же гипсометрическом уровне, что и на участке, примыкающем с востока к границе ледяной плотины 01.08.2016. Об этом свидетельствует обширная плоская поверхность, свободная от крупных обломков льда, расположенная на обоих участках и пересекающая границу ледяной плотины 01.08.2016 в северной части озёрной котловины. Это позволяет сделать допущение, что рельеф и глубина озёрной котловины на участке, освободившемся от ледника между 01.08.2016 и 06.08.2021, примерно соответствуют рельефу и глубине озёрной котловины на участке к востоку от границы ледяной плотины 01.08.2016, охватываемом современными ЦМР. Из этого следует, что средние значения абсолютной высоты поверхности этих участков должны быть близки друг к другу.

Рис. 3.

Озеро Спартаковское на о. Большевик (Северная Земля): а – 03.08.2021 (до спуска воды), б – 31.08.2021 (после спуска воды). 1 – береговая линия озера 03.08.2021, 2 – низшая точка водораздела с бассейном р. Базовая, 3 – ледораздел, 4 – трек ICESat-2 с данными съёмки 16.09.2021.

Fig. 3. Spartakovskoye Lake on Bolshevik Island (Severnaya Zemlya): а – 03.08.2021 (before the drainage of water), б – 31.08.2021 (after the drainage of water). 1 – the shoreline of the lake 03.08.2021, 2 – the lowest point of the watershed with the Bazovaya River basin, 3 – iceshed, 4 – ICESat-2 track with survey data 16.09.2021.

В западной части озёрной котловины в границах береговой линии 01.08.2016 был выделен участок шириной около 500 м и площадью 0.64 км². Этот участок полностью покрыт отдельным фрагментом ЦМР ArcticDEM v3.0, отражающим состояние поверхности 17.07.2017. Далее по скорректированной по высоте ЦМР от 17.07.2017 в границах этого участка (около 159 тыс. ячеек) была рассчитана высотная статистика: средняя высота поверхности – 34.2 м, минимальная – 20.9 м, максимальная – 122.9 м, среднеквадратичное отклонение – 17.8 м. Объём воды на участке, освободившемся от ледника между 01.08.2016 и 06.08.2021, вычислялся как объём, заключенный между высотой уреза воды по данным съёмки ICESat-2 и средней высотой поверхности (34.2 м). Погрешность определения объёма воды для этого участка была принята равной произведению его площади на половину среднеквадратичного отклонения (8.9 м) значений высоты ячеек ЦМР от среднего значения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Очередной прорыв ледниково-подпрудного озера Спартаковское произошел во второй половине августа 2021 г.  Дата начала прорыва озера неизвестна, однако временные рамки этого события удалось сузить, используя находящиеся в открытом доступе данные спутниковой съёмки.

Определение высоты уреза воды в озере перед прорывом 2021 г. и его изменений в 2016–2021 гг. Пространственное положение береговой линии озера до прорыва на всем её протяжении оценено по спутниковому снимку Sentinel-2 от 03.08.2021 (см. рис. 3, а). Для дешифрирования границы озера и подпруживающего его выводного ледника купола Семёнова–Тян-Шанского применен снимок Sentinel-2 от 06.08.2021, на котором у этой границы отсутствуют плавающие льдины, препятствующие дешифрированию. Площадь озера 03.08.2021 составляла 6.03 ± 0.34 км². Высота уреза воды, определенная по скорректированному по высоте фрагменту “strip” ArcticDEM v3.0 от 11.04.2017 у северо-восточной оконечности озера, составила около 105.5 м над ур. моря.

Анализ спутникового снимка Sentinel-2 от 13.08.2021 показал, что озеро после 03.08.2021 продолжало наполняться. На спутниковом снимке Sentinel-2 от 24.08.2021 видно, что береговая линия озера немного (до 20–30 м в относительно пологих местах) отступила, по сравнению со своим положением 13.08.2021. Это означает, что 24.08.2021 из озера уже происходил спуск воды. Промежуточный результат этого процесса виден на снимке Sentinel-2 от 27.08.2021.

К 31.08.2021, судя по спутниковому снимку Sentinel-2 на эту дату (см. табл. 1), прорыв озера завершился (см. рис. 3, б). На снимке Sentinel-2 от 31.08.2021 видна осушенная озёрная котловина, западная часть которой завалена обломками льда, оставшимися после завершения прорыва озера. При этом на поверхности выводного ледника, подпруживающего озеро, нет видимых провалов и эрозионных врезов. Это означает, что прорыв озера, как и в августе 2016 г., произошел под ледником. Центральная часть ледяной плотины к 31.08.2021 отступила в плане на 70–80 м относительно своего положения 03.08.2021.

Выполнен анализ данных съёмки ICESat-2 от 16.09.2021 (табл. 2), произведенной в западной (наиболее глубокой) части осушенной озёрной котловины. Минимальная зафиксированная по этому треку высота поверхности озёрной котловины составила 8.5 м над ур. моря. Это ниже, чем минимальная высота (20–21 м), зафиксированная в западной части озёрной котловины на скорректированном фрагменте ЦМР ArcticDEM v3.0 от 11.04.2017 в рамках работы (Чернов, Муравьев, 2020). Очевидно, что после прорыва озера, произошедшего в конце августа 2016 г., до установления устойчивых отрицательных температур воздуха в озёрную котловину с территории водосборного бассейна происходил сток воды.

В результате анализа данных съёмки ICESat обнаружено дополнительное подтверждение сделанного в работе (Чернов, Муравьев, 2020) вывода о том, что предшествующий 2016 г. прорыв озера Спартаковское произошел в конце теплого сезона 2006 г. Высота уреза воды озера 14.03.2006 ещё до начала таяния сезонного снежного покрова и ледяного покрова озера была выше 112 м (см. табл. 2). 14.11.2006, уже после завершения теплого сезона, урез воды располагался на высоте, не превышающей 16.8 м. Значит наполнение озёрной котловины водой после прорыва озера в 2006 г. заняло десять лет – с 2007 по 2016 г. включительно.

Определение объёма воды, спущенной из озера во время прорыва в 2021 г., и скорости наполнения озёрной котловины в 2016–2021 гг. Расчётный объём воды в озере Спартаковское исходя из высоты уреза воды 105.5 м на 03.08.2021 составил 338.9 ± 20.2 млн м³. Он накопился за неполные пять тёплых сезонов. При этом за часть тёплого сезона 2021 г., предшествующую этой дате, сток в озеро составил около 32 млн м³ (см. табл. 2).

Согласно выполненным расчетам, сток в озеро за 2020 г. превысил 101 млн м³. Это максимальное из рассчитанных значений в период между прорывами озера в 2016 и 2021 гг. Оно более чем вдвое превышает расчётную величину стока в озеро в период 2006–2016 гг., составлявшую по данным работы (Чернов, Муравьев, 2020) 37.1–48.2 млн м³ в год (в зависимости от летней температуры воздуха и количества осадков). Сток в озеро за 2019 г. составил около 86 млн м³, что примерно на 13% меньше стока за 2020 г., но существенно больше стока в 2006–2016 гг. За 2017–2018 гг. в озёрной котловине накопилось около 120 млн м³ воды.

Исследование причин быстрого наполнения водой озёрной котловины в период 2016–2021 гг. Аномально большие объёмы стока в озеро с 2019/20 г. вызваны климатическими причинами: прежде всего, аномально высокими летними температурами воздуха (рис. 4, а), что должно существенно усилить поверхностную абляцию на ледниках и многолетних снежниках водосборного бассейна; в небольшой степени повышенным количеством осадков (рис. 4, б). Лето в эти годы было аномально теплым. По данным реанализа метеопараметров ECMWF ERA5 (Monthly.., 2022), лето 2020 г. в районе исследований было самым теплым за период 1950–2021 гг. Средняя температура воздуха за июнь–август 2020 г. составила 1.7°C, что на 2.8°C выше среднего значения за базовый период 1981–2010 гг. (см. рис. 4, в). Похожая картина изменений летних температур воздуха в последние годы видна из данных прямых наблюдений на научно-исследовательском стационаре ААНИИ “Ледовая база “Мыс Баранова” (Электронный архив…, 2022), расположенном на острове Большевик, менее чем в 35 км к северу от озера Спартаковское (см. рис. 4, а).

Рис. 4.

Изменения: а – средних летних температур воздуха (июнь–август) по данным реанализа ECMWF ERA5 (Monthly.., 2022) (1) и данным наблюдений на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова” (Электронный архив…) (2); б – годовые суммы осадков по данным реанализа ECMWF ERA5 (Monthly.., 2022) (3) и данным наблюдений на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова” (Электронный архив…) (4); линии трендов (5); в – аномалии летних температур воздуха (6) (базовый период 1981–2010 гг.) в районе исследований в 1950–2021 гг. по данным реанализа ECMWF ERA5 (Monthly.., 2022).

Fig. 4. Changes: а – of average summer air temperatures (June–August) according to ECMWF ERA5 reanalysis (Monthly.., 2022) (1) and observational data at the station “Ice base “Baranov Cape” (AARI electronic archive…) (2); б – annual rainfall according to ECMWF ERA5 reanalysis (Monthly.., 2022) (3) and observational data at the station “Ice base “Baranov Cape” (AARI electronic archive…) (4); trend lines (5); в – summer air temperature anomalies (6) (base period 1981–2010) in the study area in 1951–2021 according to ECMWF ERA5 reanalysis (Monthly.., 2022).

Суммы годовых осадков (см. рис. 4, б) по данным реанализа ECMWF ERA5 (Monthly.., 2022) плохо коррелируют с данными прямых измерений 2014–2021 гг., выполненными на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова” (Электронный архив…, 2022), и их нельзя учитывать для расчета стока в озеро. Но их можно применять для выявления тенденций изменения общего количества осадков в районе исследований.

Годовые суммы осадков по данным реанализа ECMWF ERA5 (см. рис. 4, б) превышали средние значения базового периода 1981–2010 гг. на 7.8% в 2019 г. и на 20.4% в 2020 г. Отмечено, что суммы годовых осадков в периоды между прорывами озера Спартаковское в 2006, 2016 и 2021 гг. почти во все годы (кроме 2010 и 2013 гг.) превышали средние значения базового периода. Разница в среднем количестве осадков в периоды наполнения озера 2007–2016 гг. (389 мм/год) и 2017–2021 гг. (401 мм/год) несущественна. Учитывая сокращение периода (2017–2021 гг.) наполнения озёрной котловины водой вдвое по сравнению с предыдущим (2007–2016 гг.), можно сделать вывод о радикальном изменении структуры стока в озеро. По данным работы (Чернов, Муравьев, 2020) средний вклад поверхностной абляции на ледниках и снежниках водосборного бассейна в сток в озеро составлял 43.6%. 2018–2021 гг. (см. рис. 4, а) – годы с аномально теплым летом, доля поверхностной абляции на ледниках и снежниках должна была существенно вырасти. Иных источников воды, способных обеспечить подобное увеличение объёма стока (с 37–48 до 86–101 млн м³), в районе исследований нет.

С учётом данных по летним температурам воздуха и годовым суммам осадков можно предположить, что сток в озеро Спартаковское в 2018 г. сопоставим со стоком в 2019 г. Из 120 млн м³ воды, поступивших в озеро за 2017–2018 гг., не менее 86 млн м³ (сток за 2019 г.) приходится на теплый сезон 2018 г. Средняя летняя температура воздуха в 2018 г., по данным прямых измерений на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова” (Электронный архив…, 2022) была на 0.2°C выше, чем в 2019 г., и на 1.8°C выше, чем в 2017 г.

Для дополнительной проверки полученных данных определена величина летней абляции на ледниках и многолетних снежниках водосборного бассейна в 2020 г. Она была рассчитана с помощью формулы Ходакова–Кренке А = (Тл + 9.5)³, где Тл – средняя летняя температура воздуха на расчётной высоте (Кренке, Ходаков, 1966), при условии высотного градиента температуры равного –0.7°С на 100 м подъема. При этом учитывался температурный скачок при переходе на ледниковую поверхность, составляющий 1°С.

Средняя температура воздуха в июне 2020 г. по данным реанализа ERA5 и по данным наблюдений на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова” соответственно составила –0.5 и 0.4°С. Сентябрь 2020 г. существенно теплее – 2.0 и 2.8°С соответственно. Средние летние температуры воздуха 2020 г. рассчитывались за период с июля по сентябрь включительно и составили 3.1°С для стационара “Ледовая база “Мыс Баранова” и 2.5°С по данным реанализа ERA5.

Практически вся площадь ледников и многолетних снежников (73.5 ± 1.4 км²) в водосборном бассейне озера Спартаковское расположена на высотах выше 200 м. Расчётная величина абляции по формуле Ходакова–Кренке в высотном диапазоне 200–600 м составила 770 мм в.э. исходя из средней температуры воздуха в июле–сентябре на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова” и 630 мм в.э. исходя из данных реанализа ERA5. С учётом того, что сезонный снежный покров в этом районе полностью стаивает, вклад снегозапасов учитывали согласно оценкам в работе (Чернов, Муравьев, 2020). Величина жидких осадков в водосборном бассейне в расчетах принята равной 100 мм в.э. Таяние выше 600 м не учитывалось. Сток талой воды из области абляции ледников принят равным величине летней абляции.

Общий сток в бассейне озера Спартаковское в 2020 году, включая жидкие осадки, составил 75.7 млн м³ при применении данных реанализа ERA5 и 85.5 млн м³ – по данным наблюдений на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова”. Максимальные оценки стока при увеличении жидких осадков и снегозапасов на 25% (что вполне вероятно при небольших средних величинах) с учетом высоких летних температур дают величину стока в летний период равную 97.8 млн м³ при применении данных наблюдений на стационаре “Ледовая база “Мыс Баранова”. Эта величина близка к величине стока, измеренной по результатам обработки данных ДЗЗ (101 млн м³). Хотя она значительно превышает оценки для периода наполнения озера до прорыва 2016 года (Чернов и Муравьев, 2020), усиление летнего стока в бассейне озера в 2.5–3 раза за счёт повышения летних температур воздуха вполне реально. При этом структура стока изменяется – почти две трети талой воды поступает с ледниковой поверхности, хотя ранее сток с ледников составлял менее половины общего стока.

Аномалия погодных условий лета 2020 г. в Арктике отмечается в современной литературе. В работе (Liang et al., 2020) приведены данные о том, что июльская площадь морских льдов Арктики в 2020 г. была минимальна за период 1979–2020 гг. Авторы связывают это с антициклонической атмосферной циркуляцией – с июля по сентябрь (особенно в июле и августе) 2020 г. в Арктике доминировала аномалия высокого атмосферного давления.

Изменение высоты ледяной плотины, подпруживающей озеро. В ходе анализа полученных результатов возник вопрос – почему прорыв озера Спартаковское в августе 2021 г. произошёл задолго до достижения урезом воды высоты точки перелива воды в долину реки Базовая? Для ответа на него необходимо исследовать состояние ледяной плотины, подпруживающей озеро. Отмечено, что для понимания реакции на спуск озера всего выводного ледника купола Семёнова–Тян-Шанского слишком мало данных.

Ледораздел ледяной плотины, подпруживающей озеро, расположен в её центральной части (см. рис. 3, а; рис. 5, а). Поверхность плотины от ледораздела понижается в направлениях к фьорду Спартак и к озеру Спартаковское. Данный ледораздел содержит минимальные высоты на участке немного севернее осевой зоны троговой долины, который характеризуется практически плоской поверхностью (см. рис. 5, б). Высота поверхности данного участка должна определять максимальную высоту уреза воды озера Спартаковское, которую может удержать ледяная плотина. Основная часть этого участка 07.04.2016 располагалась в интервале высот 136–137 м. К июлю 2017 г. его поверхность понизилась (см. рис. 5, в) в среднем на 2.06 м (среднеквадратичное отклонение 0.66 м по 15.5 тыс. ячеек ЦМР) – основная её часть 17.07.2017 находилась в интервале высот 134–135 м. Большая часть величины понижения поверхности в этот период – следствие прорыва озера Спартаковское под ледником во второй половине августа 2016 г.

Рис. 5.

Выводной ледник купола Семёнова–Тян-Шанского. В подложке спутниковый снимок Sentinel-2 от 01.08.2016. а – топографическая карта поверхности ледника 07.04.2016; б – топографическая карта участка ледораздела; в – изменение высоты поверхности ледника с 07.04.2016 по 17.07.2017 1 – граница ледника 01.08.2016; 2 – наиболее низкий прилегающий  к ледоразделу участок поверхности ледяной плотины; 3 – ледораздел; 4 – участки с облачностью на ЦМР 07.04.2016 и 17.07.2017; 5 – границы области, в которой предположительно располагался подледный канал стока в августе 2016 г.

Fig. 5. The outlet glacier of the Semyonov-Tyan-Shansky ice cap. On the background – satellite image Sentinel-2 01.08.2016. а – topographic map of the glacier surface 07.04.2016; б – topographic map of the ice divide site; в – change in the glacier surface elevation from 07.04.2016 to 17.07.2017. 1 – glacier boundary 01.08.2016; 2 – the lowest area of the surface of an ice dam adjacent to the ice divide; 3 – ice divide; 4 – areas with cloudiness on the DEM 07.04.2016 and 17.07.2017; 5 – the boundaries of the area in which the subglacial runoff channel was supposedly located in August 2016.

На рис. 5, в отражено изменение высоты поверхности нижней части выводного ледника купола Семёнова-Тян-Шанского после прорыва озера Спартаковское во второй половине августа 2016 г. Область наибольшего понижения поверхности ледника, примыкающая к озеру на востоке, находилась на плаву перед прорывом озера и была разрушена во время его спуска. Минимальные изменения высоты поверхности наблюдаются в краевой северо-восточной части ледника и в области ледораздела. Вдоль осевой линии ледяной плотины выделяется протянувшаяся в направлении с юго-востока на северо-запад (до фьорда) область относительно большого понижения поверхности ледника, пересекающая ледораздел. Вероятно, эта область маркирует местоположение подледного канала, сформировавшегося во время прорыва озера Спартаковское во второй половине августа 2016 г.

ЦМР, отражающих состояние поверхности выводного ледника купола Семёнова–Тян-Шанского в 2018–2021 гг., в открытом доступе нет. Однако некоторое представление об изменении высоты его поверхности во второй половине 2010-х годов можно получить, анализируя массив исходных данных работы (Hugonnet et al., 2021а). Для анализа применялся массив данных об изменении высоты поверхности ледника в 2015–2019 гг. (Hugonnet et al., 2021б). Изменение высоты поверхности ледника на выделенном, наиболее низком, участке ледораздела (см. рис. 5, б) изменяется от –0.25 ± 0.43 до –0.90 ± 0.43 м/год, то есть за 2015–2019 гг. его поверхность понизилась на величину от 1.25 ± 2.15 до 4.50 ± 2.15 м. Среднее по площади изменение высоты поверхности составило –0.32 ± 0.43 м/год или 1.60 ± 2.15 м за 2015–2019 гг. Следует отметить, что в работе (Hugonnet et al., 2021а) данные об изменении высоты поверхности ледников приведены в усредненном за определенные временные интервалы виде. Поэтому из массива данных этой работы нельзя вычленить информацию об изменении высоты поверхности ледников за весь период или отдельные годы, и влиянии локализованного во времени прорыва озера в августе 2016 г. по отдельности. Сезоны абляции 2015–2016 гг. прошли до прорыва озера во второй половине августа 2016 г. Понижение поверхности выводного ледника в 2017–2019 гг. должно быть меньше приведенных выше величин. Информации об изменении его поверхности в 2020–2021 гг. нет. По приведенным выше климатическим данным, поверхностная абляция в эти годы должна существенно превосходить средние значения 2015–2019 гг.

Дополнительную информацию о высоте поверхности ледника можно получить, анализируя данные съёмки ICESat-2, представляющие собой точечные данные о высоте поверхности, снятые по треку с интервалом 20 м. Поверхность практически плоского участка ледораздела (см. рис. 5, б) пересекает трек съёмки (идентификатор трека 858) ICESat-2 18.02.2021. В пределы границ этого участка попали 11 точек съёмки ICESat-2. Изменение высоты поверхности ледника, по сравнению с данными скорректированной по высоте ЦМР ArcticDEM v3.0 от 17.07.2017, составило (медиана по всем точкам) –6.5 м. При этом измерение отклонения высоты ЦМР от 17.07.2017 от данных съёмки ICESat-2 18.02.2021 на стабильных поверхностях (вне ледников, снежников, эрозионных врезов) составило –0.15 м (медиана по 350 точкам). Так как в середине июля 2017 г. сезонный снежный покров на таких участках уже должен был отсутствовать, а съёмка ICESat-2 в середине февраля 2021 г. фиксировала высоту поверхности сезонного снежного покрова. Из этого следует, что к концу сезона абляции 2020 г. поверхность самой низкой части ледораздела (см. рис. 5, а–б) понизилась до высоты около 128 м.

Лето 2021 г. было тёплым (см. рис. 4, а). Судя по летним температурам воздуха, таяние в этот год должно было быть сопоставимо с таянием в 2018 и 2019 гг. Установлено, что с июля 2017 г. по середину февраля 2021 г. поверхность ледораздела понизилась на 6.5 м (до высоты около 128 м). К середине августа 2021 г., вследствие таяния, поверхность  ледяной плотины понизилась ещё на 1 м. Это означает, что к началу прорыва озера Спартаковское в 2021 г., высота поверхности самой низкой части ледораздела не превышала 127 м. Высота дна озёрной котловины перед ледяной плотиной составляла около 8.5 м. Если предположить, что высота ложа под ледоразделом такая же, то толщина льда у ледораздела перед прорывом не превышала 118.5 м. В таком случае условие всплывания ледяной плотины при плотности ледникового льда 0.88 г/см³ выполняется при достижении урезом воды высоты 113 м. Так как поверхность ледяной плотины понижается в сторону озера, отдельные блоки льда на фронте всплывают ещё до момента достижения максимального уровня воды, предшествующего прорыву.

Вероятно, дно озёрной котловины под ледяной плотиной понижается в направлении фьорда. При этом глубина озера увеличивается и, соответственно, условие всплывания ледникового льда продолжает выполняться. Если предположить, что толщина льда плотины в области ледораздела может быть около 135 м, то дно фьорда находится на отметке около –6 м. При этом допущении профиль дна фьорда плавно понижается от озёрной котловины к фронту плотины на западе, который, по-видимому, находится на плаву. Высота поверхности ледника у западной оконечности 17.07.2017 составляла около 14 м, что означает толщину льда около 117 м.

При высоте уреза воды в озере 113 м расчётный объём воды в нем составляет 376 ± 21 млн м³. Из этого следует, что с 03.08.2021 до прорыва озера во второй половине августа 2021 г. в него поступило около 37 млн м³ воды. Эта величина выглядит реалистичной. Исходя из летних температур воздуха (см. рис. 4, а) и сумм осадков (см. рис. 4, б) можно предположить, что объём стока в озеро за теплый сезон 2021 г. сопоставим (или немного ниже) со стоком в теплые сезоны 2018 и 2019 гг.

Для получения дополнительной информации о состоянии ледникового купола Семёнова–Тян-Шанского проанализировано высотное положение его границы питания (маркируется границей наложенного льда) на спутниковых снимках, сделанных в конце августа–начале сентября. Высота определялась по мозаике ЦМР ArcticDEM v3.0. 02.09.2020 (год с аномально теплым летом) граница питания на северном склоне ледникового купола располагалась на высотах 690–710 м. 26.08.2018 высота границы питания на данном участке составляла 640–660 м. При этом максимальная высота этой части купола составляет около 735 м. По данным наблюдений 1962–1966 гг. (Говоруха, 1989) средняя многолетняя высота границы питания ледника Семёнова–Тян-Шанского составляла около 600 м, то есть наблюдается существенное повышение высоты границы питания ледника.

Прорыв озера Спартаковское в августе 2021 г. показал, что наполнение озёрной котловины водой происходило значительно быстрее, чем до 2016 г. Это связано с радикальным увеличением стока в озеро в 2018–2021 гг., что является следствием значительного увеличения таяния на ледниках и снежниках водосборного бассейна, обусловленного ростом летних температур воздуха. При этом роста количества атмосферных осадков в эти годы не наблюдалось. Объём стока в озеро в 2018–2021 гг. возрос более чем в два раза, и структура стока в озеро кардинально изменилась – выросла доля ледникового стока. Климатические изменения последних лет определили изменение режима ледниково-подпрудного озера Спартаковское. События прорыва озера в 2016 и 2021 гг. привели систему “ледяная плотина – озеро” к новому состоянию. Прежде урез воды озера Спартаковское достигал высоты 123 м, и озеро питало р. Базовая, на что указывают топографические карты второй половины ХХ века и спутниковые снимки. В настоящее время сток в долину реки Базовая происходить более не может. В будущем при сохранении современных тенденций изменений климата, понижение ледяной плотины приведет к более частым прорывам озера. По-видимому, вследствие отсутствия стока из озера в долину р. Базовая, её гидрологический режим также изменится. С 2021 г. ледниково-подпрудное озеро Спартаковское относится к бассейну Карского моря.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Во второй половине августа 2021 г. произошел прорыв озера Спартаковское – одного из крупнейших ледниково-подпрудных озёр российского сектора Арктики. Прорыв происходил под выводным ледником купола Семёнова–Тян-Шанского, подпруживающим озеро. Объём спущенной из озера во фьорд Спартак воды составил около 376 ± 21 млн м³.

Со времени прошлого прорыва озера в августе 2016 г. прошло всего 5 лет. Озёрная котловина наполнялась водой быстрее, чем в период 2006–2016 гг. Объём стока возрос в результате усиления поверхностной абляции на ледниках водосборного бассейна в условиях аномально тёплых летних сезонов в 2018–2021 гг.

Расчётный уровень воды в озере, предшествующий его прорыву, оказался значительно ниже, чем в 2016 г., что связано с понижением поверхности ледника и, соответственно, уменьшением толщины льда плотины. Озеро постепенно разрушает ледяную плотину – с 01.08.2016 по 06.08.2021 её граница в центральной части отступила на 350–380 м. Высота ледораздела, определяющего удерживающую способность ледяной плотины, уменьшилась с весны 2016 до августа 2021 гг. на 9.5 м: 2 м с 07.04.2016 по 17.07.2017 и ещё 7.5 м до прорыва 2021 г. Высота уреза воды озера перед прорывом 2021 г. составляла около 113 м. Уровень воды уже не сможет подниматься до водораздела с бассейном реки Базовая (123 м), и сток из озера в реку Базовая теперь невозможен.

Картографическим методом найдено местоположение области наибольшего понижения поверхности ледяной плотины, обусловленной выработкой подледного канала стока (см. рис. 5, в), через который происходил прорыв воды из озера во второй половине августа 2016 г. Предположено, что во время прорыва озера во второй половине августа 2021 г. его местоположение было примерно тем же, что и в 2016 г.

Понижение ледяной плотины и увеличение объёмов стока в озеро привело к сокращению времени наполнения водой озёрной котловины. Сток в долину реки Базовая происходить более не может, так как максимальный урез воды стал ниже на 10 м. Ледниково-подпрудное озеро Спартаковское теперь относится только к бассейну Карского моря. Понижение ледяной плотины и увеличение объёмов стока, происходящие в современных климатических условиях, приведут к более частым прорывам озера в будущем, уменьшению объёма озера и, соответственно, объёмов сбрасываемой во время прорывов воды.

Благодарности. Работа выполнена в рамках темы государственного задания Института географии РАН АААА-А19-119022190172-5 (FMGE-2019-0004).

Acknowledgments. The paper includes the results obtained withing the framework of the research project АААА-А19-119022190172-5 (FMGE-2019-0004) of the Research Plan of the Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences.