Что случилось с климатом: читать начало книги онлайн

Когда инсоляция в высоких широтах Северного полушария уменьшается, объем льда, с отставанием в несколько тысяч лет, начинает медленно расти. Ледяные шапки Северного и Южного полушарий связаны со всеми составляющими климатической системы множеством обратных связей, самой очевидной из которых является связь лед – альбедо. Эта положительная обратная связь способствует дальнейшему росту ледников. Другим важным следствием роста ледников оказывается изменение рельефа суши: мы помним, что толщина ледяных шапок может достигать нескольких километров. Образование гигантских шапок льда и изменение рельефа поверхности меняют циркуляцию атмосферы и океана. Также рост ледников приводит к понижению уровня океана и уменьшению площади его поверхности, поскольку происходит перекачка влаги из океана на континенты. Климат становится более сухим. Формируется отрицательная обратная связь, замедляющая рост ледников.

Разрушение льдов происходит разными способами: лед тает, поглощая солнечное тепло, его размывают дожди, края ледника отламываются в виде айсбергов. Скорость разрушения определяется количеством солнечной энергии и локальной температурой воздуха. Деградация ледников начинается при среднегодовой температуре выше –10 °C (летней – выше 0 °C) и резко ускоряется с ростом температуры.

Почему начинается оледенение – в целом понятно. Отступание ледников объяснить не так просто. В какой-то момент ледникового цикла альбедо Земли достигает максимума, а концентрация углекислого газа в атмосфере – минимума. И вот здесь случается самое интересное: льды начинают быстро отступать! Причем наступает оледенение медленно, а заканчивается стремительно – это общая тенденция для всех 100-тысячелетних ледниковых циклов. Логично предположить, что начавшийся рост инсоляции запускает положительные обратные связи. Помимо связи лед – альбедо рассматривают парниковое влияние метана и углекислого газа. Но почему-то далеко не каждый максимум инсоляции приводит к наступлению межледниковья (рис. 2.15). К тому же масштаб изменений содержания углекислого газа (от 180 до 280 ppm), который наблюдался во время перехода от оледенения к межледниковью, недостаточен для того, чтобы привести к отступлению ледника во всем Северном полушарии. Кроме того, эти изменения происходили слишком медленно. Согласно многим оценкам, в том числе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC), изменение концентрации CO2 со 180 до 280 ppm (эти цифры соответствуют максимуму оледенения и доиндустриальной эпохе) эквивалентно радиационному воздействию величиной не более 3 Вт/м2. Потепление продолжалось около 5 тыс. лет – это означает, что изменение радиационного баланса за десятилетие составляет 0,006 Вт/м2. Авторы работы (Ellis, Palmer, 2016) отмечают, что пчеле для полета требуется примерно втрое бо́льшая энергия. А с другой стороны, почему бы взмаху пчелиных крыльев не привести к окончанию ледниковой эпохи?

Для объяснения этого парадокса Эллис и Пальмер (Ellis, Palmer, 2016) привлекли положительную обратную связь пыль – альбедо. Во время ледниковых эпох рост ледников со временем замедлялся, так как по мере похолодания воздух становился более сухим. С другой стороны, падение уровня CO₂ ниже 200 ppm вызывало резкое замедление фотосинтеза и гибель растений – особенно в горах в условиях нехватки влаги. Соответственно росла площадь пустынь, и пыльные бури покрывали ледники слоем осадочного материала. Темные минеральные частицы эффективно поглощают солнечный свет, и альбедо льда может уменьшаться от нормальной величины 0,9 вплоть до 0,5. Грязные льды начинали быстро таять. И действительно, анализ ледников Антарктиды показывает, что в течение последних 800 тыс. лет каждому межледниковью предшествовали тысячелетия пыльных бурь. К сожалению, мы не располагаем столь же длительными данными по ледникам Северного полушария, но можем предположить, что там загрязнение льдов было примерно на порядок сильнее. Минеральный, химический и изотопный состав пыли ледников Антарктики говорит о ее происхождении из центральной Патагонии (Delmonte et al., 2010). В Гренландию пыль заносили ветра преимущественно из пустынь Гоби и Такла-Макан (Vallelonga, Svensson, 2014). Льды тают, растет уровень моря – тем самым включается еще одна быстрая положительная обратная связь. Морская вода начинает интенсивно разрушать края ледников.

А

В

С

Рис. 2.15. Летняя инсоляция в высоких широтах Северного полушария управляет ледниковыми циклами. Однако лишь некоторые изменения инсоляции переключают климатическую систему из одного режима в другой.

А – июньская инсоляция на 60° с. ш.; В – изотопия кислорода в карбонатных скелетах донных фораминифер – параметр, отражающий объем льда; С – содержание CO₂ в атмосфере. Данные по CO₂ сведены в работе (Bereiter et al., 2015)

Согласно этой гипотезе (Ellis, Palmer, 2016), для начала отступания ледников необходимы два условия: чтобы содержание CO₂ и температура упали до минимума, а потом начался рост инсоляции в Северном полушарии (см. рис. 2.15). Однако общепринятой теории, объясняющей механизм перехода от оледенения к межледниковью, по-прежнему не существует.

2.6. Колебания тысячелетнего масштаба

В 1960-х годах датчанин Уильям Дансгор получил результаты анализа первого гренландского ледового керна (Dansgaard et al., 1969). Из распределения тяжелого кислорода ¹⁸O следовало, что климат Гренландии во время последнего оледенения был гораздо менее стабильным, чем в голоцене, и более двадцати раз быстро и резко переходил от холодного к более теплому, затем плавно возвращался в прежнее состояние (рис. 2.16). Амплитуда колебаний температуры составляла 8–16 °С, то есть примерно в два раза меньше, чем разница между температурными условиями в настоящее время и в максимум оледенения (см. рис. 2.16).

Рис. 2.16. Реконструкция температуры за последние 50 тыс. лет в Центральной Гренландии, в керне GISP 2 (Alley, 2000). Подписаны: событие 8,2 K (о нем речь пойдет в следующих главах), поздний дриас (YD), пронумерованы теплые фазы осцилляций DO. Перепад температуры между современными условиями в Гренландии и поздним дриасом соответствует примерно 15 °C. Можно отметить следующие особенности: огромный размах осцилляций DO; отсутствие резких колебаний климата во время максимума оледенения; стабильность условий голоцена. Масштаб события 8,2 K на этой иллюстрации несколько сглажен из-за больших промежутков между точками (около 20 лет)

По словам климатолога Уоллеса Броккера, этого парадокса тогда никто не заметил (Broecker, 2010):

Результат был действительно крайне неожиданным. Выходит, климатическая система ледникового периода могла существовать в двух различных режимах, и переключение между ними проходило очень быстро – возможно, всего лишь за несколько лет (Rabassa, Ponce, 2016). Эти загадочные колебания назвали осцилляциями Дансгора – Эшгера (DO) в честь их первооткрывателей Уильяма Дансгора и швейцарца Ганса Эшгера. При этом менялся также объем ледяных шапок, но не слишком сильно – уровень моря колебался в пределах 10 м. В холодные периоды также увеличивалось количество пыли в ледниках. Среднее время между событиями составляло 1,5 тыс. лет.

Следующее открытие сделал немецкий морской геолог Хартмут Хайнрих в 1988 г. Он обнаружил в донных отложениях Северной Атлантики, на широте 40–55 градусов, шесть выраженных слоев, содержащих крупный обломочный материал, резко отличающийся по составу от остального осадка. Это были обломки, принесенные айсбергами (рис. 2.17), – значит, несколько раз в течение последнего оледенения случались сильные похолодания, и айсберги, отколовшиеся от северных ледяных шапок, проникали далеко на юг. Эти события называют событиями Хайнриха.

Рис. 2.17. Положение пояса обломочного материала (Rasmussen et al., 2016)

Во время последнего оледенения насчитывается шесть событий Хайнриха – 17, 22, 29, 39, 45 и 61 тыс. лет назад. Они происходили в то время, когда климат в Гренландии становился холодным, сухим и ветреным, то есть во время холодных фаз событий DO. Но событий DO существенно больше, и события Хайнриха соответствуют лишь некоторым из них. Остальным событиям DO также предшествовало образование айсбергов, но они не проникали так далеко на юг и оставили след в виде обломочного материала лишь в донных отложениях Норвежского моря (Elliot et al., 2001). Происхождение айсбергов можно установить по возрасту и минеральному составу обломочного материала. В случае событий Хайнриха фрагменты откалывались от Лаврентийского щита и, прежде чем растаять, проплывали до 3 тыс. км. В других случаях источником айсбергов был Скандинавский ледниковый щит. События Хайнриха и осцилляции DO часто обобщенно называют колебаниями тысячелетнего масштаба. События Хайнриха можно рассматривать как наиболее сильные из таких колебаний.

Проявления тысячелетних колебаний не ограничивались Северной Атлантикой, они затрагивали даже Южное полушарие. Внутритропическая зона конвергенции во время холодных фаз сдвигалась на юг, климат в тропической зоне Северного полушария становился суше и холоднее, а в Австралии и Южной Америке, наоборот, влажнее (Naafs et al., 2013).

В ледяных кернах из Антарктики осцилляции выражены гораздо слабее. Определить точный возраст антарктических льдов непросто. Но, к счастью, ледяные архивы Антарктики удалось синхронизировать с гренландскими благодаря захваченному в пузырьках воздуха метану – очевидно, что газовый состав атмосферы менялся синхронно в обоих полушариях. Оказалось, что в Антарктике теплело, когда в Гренландии холодало, и наоборот (Barbante et al., 2006; Blunier et al., 1998). Это явление получило название биполярных качелей.

Тысячелетние осцилляции по сей день остаются одной из загадок климатологии. Если свести воедино известную нам информацию, выходит, что тысячелетние осцилляции:

– происходят только во время оледенений;

– наступают и заканчиваются резко, имеют большую амплитуду;

– проявляются гораздо сильнее в Северном полушарии;

– связаны с образованием айсбергов;