Текст книги "Что случилось с климатом"

Попытку объяснить природу 41-тысячелетних циклов предприняли авторы работы (Raymo, Nisancioglu, 2003). Они предположили, что рост и отступание льдов определяет не инсоляция на 65° с. ш., а разница в инсоляции между тропическими (25°) и полярными (70°) широтами. Именно контраст температуры запускает меридиональную атмосферную циркуляцию и в конечном счете обеспечивает перенос влажного воздуха к полюсам, питая ледники необходимой для их роста влагой. И эта разница, как показывают астрономические расчеты, зависит именно от наклона земной оси и имеет 41-тысячелетнюю периодичность.

Рис. 2.10. Миграция слонов и мамонтов около 0,78 млн лет назад (Muttoni et al., 2010).

Еще одной головной болью климатологов стала проблема 11-й стадии[27]27
  Морскими кислородными изотопными стадиями называют чередующиеся периоды теплого и холодного климата, выделенные по результатам анализа изотопии кислорода в донных отложениях. Четные номера соответствуют оледенениям, нечетные – межледниковьям. Отсчитываются от первой стадии, соответствующей настоящему времени.


[Закрыть]. Так называют межледниковье, бывшее около 400 тыс. лет назад. Оно наступило после одного из самых сильных оледенений плейстоцена и было самым длинным и теплым межледниковьем за последние полмиллиона лет. Но орбита Земли тогда была близка к круговой, изменения инсоляции – минимальны, и по теории Миланковича не стоило ждать больших климатических изменений. Однако размах колебаний климата именно тогда был наибольшим. Уровень моря (а мы помним, что он напрямую связан с объемом ледяных шапок) колебался от –140 до +20 м по отношению к нынешнему. Конфигурация орбитальных параметров в это время отчасти напоминает нынешние условия, поэтому события 400-тысячелетней давности можно рассматривать как аналог современного климата.

Похоже, что количество неувязок в теории Миланковича слишком велико, и вряд ли стоит искать причину чередования ледниковых эпох в одних лишь изменениях инсоляции на 65° с. ш. Изменения орбитальных параметров инициируют большое количество обратных связей в климатической системе, результатом которых является переход из одного состояния в другое. Многие ученые вообще не связывают 100-тысячелетние колебания с эксцентриситетом (Maslin, Ridgwell, 2005), тем более что длительность большинства из них менялась от 80 тыс. до 120 тыс. лет и, скорее, соответствовала целому числу более коротких циклов. Проблема 11-й стадии также противоречит гипотезе о влиянии эксцентриситета – получается, что наиболее выраженные 400-тысячелетние циклы эксцентриситета не проявляются в климатической летописи в течение последнего миллиона лет.

Итак, изменения параметров орбиты Земли были основным фактором, определяющим климат плейстоцена в масштабе от тысяч до сотен тысяч лет. Возникает вопрос: а проявлялось ли их влияние раньше, когда Земля была совсем другой? Недавнее исследование осадочных пород формации Сямалинг в Китае показало, что флуктуации, вызванные орбитальными изменениями, – неотъемлемое свойство климата нашей планеты. Оказывается, циклы Миланковича проявлялись уже 1,4 млрд лет назад в мезопротерозойской эре. В горных породах четко просматриваются отдельные периодически чередующиеся слои, в которых резко меняется содержание многих химических элементов. Содержание в осадках органики, а также соотношение химических элементов менялось в зависимости от особенностей циркуляции океана и атмосферы. В этих изменениях прослеживается периодичность, соответствующая циклам Миланковича (Zhang et al., 2015).

2.4. Ледниковые эпохи и геохимический цикл углерода

Доказательства орбитальной теории оледенений были получены в результате анализа изотопного состава донных отложений. Затем внимание исследователей привлекли ледники – другой важнейший естественный архив палеоклиматических данных. За год в Гренландии накапливается 50 см осадков в виде снега, в Антарктиде – около 5 см. А значит, можно различить близко лежащие во времени события. В этом отличие ледовых кернов от океанических отложений, которые накапливаются медленно и перемешиваются донной фауной, поэтому климатический сигнал в них усредняется примерно за тысячу лет. Изотопный состав кислорода и водорода в ледниках несет информацию о палеотемпературах. На сегодня отобрано около 30 ледовых кернов, достигающих уровня последнего оледенения, большей частью в Антарктиде, Гренландии и Канадской Арктике, а также в горных массивах Аляски, Анд и Тибета. Самый древний из кернов отобран в рамках европейского проекта EPICA на куполе Конкордия (Dome Concordia) в Восточной Антарктиде – он охватывает период до 800 тыс. лет. Гораздо более молодой гренландский лед позволяет заглянуть в климатическое прошлое примерно на 130 тыс. лет.

Как и любой другой естественный архив, ледовые керны необходимо привязать к абсолютной временной шкале. Попытки использовать радиоизотопные методы датирования льдов предпринимались неоднократно, они продолжают развиваться и сейчас (Sigl et al., 2009). Однако основными для датирования ледников эти методы пока не стали. Возраст молодых льдов определить относительно просто – в верхней части керна ежегодные слои можно различить визуально. Это происходит потому, что весной поступает больше пыли и образуется более темный слой. В кернах из Гренландии слои просматриваются до 50 тыс. лет (Bradley, 2015). Вместо визуального подсчета годичных слоев можно анализировать электропроводность, изотопию кислорода, содержание кальция, скандия, нитратов, хлоридов, перекиси водорода. Все эти показатели имеют выраженную сезонную изменчивость, например, изотопный состав кислорода в осадках связан с температурой воздуха, хлориды поступают летом с морскими аэрозолями, когда море свободно ото льда. Перекись водорода присутствует в светлое время года, поскольку для ее образования требуется ультрафиолет. Уточнить датировку можно, привязав слои, содержащие вулканическую пыль от мощных извержений вулканов, если их дата известна из исторических источников. Для молодых льдов можно использовать пик поступления искусственных радионуклидов в результате масштабных испытаний ядерного оружия в атмосфере (1962–1963). Описанными методами можно определить возраст с ошибкой менее 1 % (Alley, 2000). Труднее датировать глубинные слои, где сезонные изменения выявить уже невозможно. В этом случае полагаются на математические модели, описывающие динамику льда.

В конце 1990-х годов группа ученых из России, США и Франции исследовала изотопный состав кислорода и водорода в ледовом керне, полученном при бурении на станции Восток (Petit et al., 1999). Выяснилось, что температура в Антарктиде падала одновременно с наступлением льдов в Северном полушарии, то есть, если следовать логике Миланковича, была привязана к инсоляции на 65° с. ш. Периодичность циклов оказалась близкой к 100 тыс. лет, то есть соответствовала ранее полученным данным по морским донным отложениям.

Рис. 2.11. Так пузырьки воздуха включаются в толщу льда. Изоляция происходит постепенно, поэтому пузырьки оказываются моложе окружающего льда. Разница в возрасте зависит от скорости накопления льда и может достигать нескольких тысяч лет (Bradley, 2015). Кроме того, если происходят относительно резкие изменения в составе атмосферы, то они сглаживаются в образцах воздуха из ледника

Рис. 2.12. Кусочек антарктического льда с вмороженными пузырьками воздуха. Эти пузырьки позволяют определить состав атмосферы прошлого и определить в ней содержание парниковых газов. Источник: Atmospheric Research, CSIRO, http://www.scienceimage.csiro.au/image/521

Но важнее всего то, что ледники Антарктиды – это единственный[28]28
  Из ледников Гренландии извлечь данные по атмосферному CO₂ не удается. В них слишком много пыли, содержащей карбонаты, которые при взаимодействии с кислотой, находящейся во льдах, дают углекислый газ. Из-за этого результаты оказываются завышенными. Во льдах Антарктиды пыли на порядок меньше.


[Закрыть] на сегодня способ получить образцы древней атмосферы. Когда снег выпадает, между частицами остается воздух. С течением времени новые слои снега блокируют свободный обмен воздуха в снежной толще. Под давлением снег уплотняется и постепенно превращается в лед. Воздух, содержавшийся в нем, при этом скапливается в виде отдельных пузырьков (рис. 2.11, 2.12).

Самый впечатляющий результат, полученный при анализе кернов «Восток» и EPICA, – это обнаруженная тесная взаимосвязь между температурой в Антарктиде и содержанием в атмосфере углекислого газа и метана. Во время оледенений содержание CO₂ в атмосфере составляло около 180 ppm, во время межледниковий – до 280 ppm. Это касается только 100-тысячелетних циклов – прямых данных о содержании CO₂ до среднеплейстоценового перехода нет. Содержание метана в атмосфере тоже менялось в соответствии с ледниковыми циклами (Petit et al., 1999). Метан образуется при гниении органики в отсутствие кислорода, и его источником служат в основном болота. Неудивительно, что в теплые и влажные периоды концентрация его в атмосфере росла. В колебаниях содержания метана в атмосфере заметны 22-тысячелетние циклы прецессии и 41-тысячелетние циклы наклона оси. Первые из этих циклов связаны с интенсивностью летнего муссона в Азии, а вторые – с изменением инсоляции в Арктике, которая также является важным источником метана (Ruddiman, 2014).

Возникает естественный вопрос – куда девался углекислый газ из атмосферы во время оледенений? Для того чтобы на него ответить, нужно рассмотреть геохимический цикл углерода (рис. 2.13). Запас углерода в атмосфере Земли, в отличие, скажем, от Венеры, весьма невелик и составляет без учета антропогенных выбросов примерно 600 Гт. Происходит быстрый обмен углеродом между атмосферой, наземной биотой, почвой и поверхностным слоем океана. Поэтому изменение содержания CO₂ в атмосфере перераспределяется по всем поверхностным резервуарам. Общая масса углерода, содержащегося в этих резервуарах, достигает уже 3700 Гт, то есть в 6 раз больше атмосферного.

Рис. 2.13. Биогеохимический цикл углерода до индустриального воздействия, Гт (Ruddiman, 2014)

Мы точно знаем, что растительности во время оледенений становилось меньше, значит, биомасса суши не могла быть резервуаром, запасающим часть атмосферного углерода. Не могли служить таким резервуаром и карбонатные осадочные породы – они обмениваются углеродом с атмосферой слишком медленно. Единственный возможный резервуар, в котором углерод атмосферы мог храниться в течение оледенений, – глубоководная часть океана. В ней содержится примерно в 50 раз больше CO₂, чем в атмосфере, обмен с атмосферой происходит примерно в течение тысячи лет, а значит, именно океан определяет атмосферное содержание углекислого газа в орбитальных масштабах времени (Falkowski, 2000).

Существуют два основных механизма переноса углекислого газа из атмосферы в глубины океана. Первый из них связан с растворимостью CO₂. Углекислый газ лучше растворяется в холодной воде и погружается с холодными водами в Северной Атлантике у берегов Гренландии и Лабрадора, а также в Южном океане. Этот процесс уравновешивается апвеллингом богатых растворенным неорганическим углеродом глубинных вод в низких широтах. Второй важный механизм транспорта углерода из поверхностного слоя в глубинные воды – уже упоминавшийся биологический насос. Растворенный в воде CO₂ усваивается фитопланктоном в процессе фотосинтеза, и примерно четверть его погружается на глубину, где вновь окисляется до растворенного неорганического углерода.

Таким образом, обмен углерода между атмосферой и океаном определяется биологической продуктивностью океана, то есть количеством органики, образующейся за счет фотосинтеза, и стратификацией водной толщи (Falkowski, 2000).

Изменения в углеродном цикле удобно исследовать с помощью тяжелого стабильного изотопа углерода ¹³C. В разных природных резервуарах изотопный состав углерода различен. Основной причиной этого является фотосинтез. Растения предпочитают усваивать из атмосферы легкий углерод ¹²C, поэтому органический углерод суши значительно легче (δ ¹³C около –25‰), чем неорганический углерод океана (δ¹³C ~0 ‰), близкий по составу к атмосферному. Во время оледенений наблюдается уменьшение доли тяжелого углерода в раковинах донных микроорганизмов примерно на 0,3–0,4 ‰, что говорит о поступлении углерода из наземных экосистем в глубинные воды (Sigman, Boyle, 2000).

Что заставляло океан «вдыхать» и «выдыхать» углекислый газ в такт оледенениям, до конца не ясно (Raven, Falkowski, 1999). Углекислый газ лучше растворяется в холодной воде, но только этим объяснить уменьшение его содержания в атмосфере ледниковых эпох невозможно. К тому же, чем больше соленость, тем хуже растворимость углекислого газа, а во время оледенений соленость растет, поскольку объем воды в океане уменьшается. Эти два фактора вместе с сокращением биосферы суши должны привести к уменьшению концентрации CO₂ в атмосфере примерно на 8,5 ppm (Sigman, Boyle, 2000), а это на порядок меньше 80–100 ppm, наблюдаемых в действительности. Значит, надо искать другие механизмы.

Рис. 2.14. Изменения в углеродном цикле при переходе к оледенению (Ruddiman, 2014)

Одной из причин увеличения потока углерода в толщу океана может быть рост продуктивности поверхностных вод во время оледенений. Для роста фитопланктону необходимы питательные вещества – и часто именно они, а не свет и тепло, являются ограничивающим фактором. Сейчас высокая продуктивность океана наблюдается в прибрежных зонах, где речной сток и апвеллинг поставляют питательные вещества, в узкой области экваториального апвеллинга, в северной части Тихого океана и вокруг Антарктики. Согласно гипотезе, предложенной американским океанографом Джоном Мартином (Martin, 1990), продуктивность океана ограничивается нехваткой железа – микроэлемента, необходимого для роста планктона. Особенно это касается Южного океана, где значительная часть питательных веществ сейчас остается невостребованной. Источником железа в открытом океане является пыль, переносимая ветрами из засушливых районов. Сильные ветра и сухой климат во время оледенений могут увеличивать поток пыли с континентов, удобряя океан и стимулируя фотосинтез (Jickells et al., 2005). Впрочем, это всего лишь одна из гипотез.

Изменения в углеродном цикле во время оледенений иллюстрирует рис. 2.14.

2.5. Почему тают ледники

Если снега за зиму выпадает больше, чем успевает растаять за лето, его слой с каждым годом растет. Со временем снег уплотняется и превращается в лед, который медленно движется под действием силы тяжести. Так образуется ледник. Равновесный размер ледника определяется балансом процессов роста и разрушения, или, как говорят гляциологи, абляции. Если накопление превышает абляцию, ледник наступает, пока не установится его равновесный размер. Рост ледников слабо зависит от температуры и определяется в основном количеством выпадающего снега. Более того, если среднегодовая температура слишком низкая (–20 °C и ниже), накопление льда замедляется, поскольку холодный воздух содержит слишком мало водяного пара. Растут ледники быстрее всего при среднегодовой температуре от –15 до –10 °C.

Чем выше, тем холоднее воздух, и на высотах 2–3 км в полярных областях Северного полушария лед накапливается быстрее. Далее воздух становится суше, и процесс замедляется. Ледник давит на скальное основание, и оно потихоньку прогибается. Этот процесс происходит с некоторой задержкой, измеряемой тысячами лет. Когда льды отступают и нагрузка снимается, оно начинает возвращаться в исходное состояние, и опять с запозданием. Хотя ледники давно отступили, некоторые районы Северной Европы продолжают подниматься со скоростью около 1 см/год.

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.