Лёд, СО₂ и время

Короткое введение

Я могу рассматривать сегодняшние изменения климата только с точки зрения того, что я знаю о климатах прошлого; я реконструирую природные обстановки последней геологической системы четвертичного периода, чей возраст чуть меньше трех миллионов лет. Такие знания оказались необычайно полезными в последнее время. Неожиданно выяснилось, что не только «Настоящее — ключ к пониманию прошлого» [1], но и прошлое — ключ к пониманию настоящего и даже будущего.

Так что условимся, что мои коллеги, хорошо разбирающиеся в атмосферной физике, будут говорить о механизмах современного климата, а я — о многовековых тенденциях. В сущности, они неразрывны.

Определение климата и его эволюции

Самое упрощенное, но правильное определение климата, это «погода за продолжительный период, примерно 30 лет и больше». Теперь осталось только выяснить, что такое погода и почему она не климат. Согласно определению NOAA, погода — это состояние атмосферы в зависимости от температуры, влажности, облачности, давления, ветра и других метеорологических показателей. Погода определяется этими условиям в конкретный момент, а климат определяется средним погодным условиям в течение длительного периода.

Давайте добавим сюда научное определение, данное еще в 1982 году А. Мониным [2]:

«Климатом называется статистический ансамбль состояний, проходимых системой Атмосферы–Океана–Суши за периоды в несколько десятилетий.

Под статистическим ансамблем здесь понимается множество $\mathscr{A}$ элементов а с заданной на нем вероятностной мерой Р (А), указывающей для каждого измеримого подмножества A ⊂ $\mathscr{A}$ — его вероятность Р {а ∈ A}.

Поскольку состояния системы АОС суть многокомпонентные поля, математически климат определяется как многокомпонентное случайное поле».

Запомним главное: мы имеем дело с огромным количеством переменных подмножеств системы климата, и они могут изменяться случайным образом. При таком условии, с первого взгляда, проблема реконструкции или, тем более, предсказания климата выглядит устрашающе невозможной. Но это не так. Cлучайные процессы, которые могут испортить прогноз на послезавтра, на длинной вековой временной шкале нивелируются и усредняются, и из хаотического движения мы получаем закономерные тенденции. Для понимания этих закономерностей нужно разобраться в теории хаоса, что нельзя сделать в этих заметках. Но мы знаем, что существуют климаты современной Земли, скажем морской, континентальный, тропический и т. д. [3], они определяются усреднениями значениями температуры и влажности для определенных территорий, и это не вызывает у нас удивления. Значит, нужно условиться, что, зная исходные условия системы АОС, мы можем попытаться восстановить и прошлый и будущий климат. Тут и зарыта собака. Мы должны знать исходные условия, чтобы понять, куда дальше двинется наша климатическая система.

Погода хаотична, а климат в целом нет [4].

Ученые за несколько последних веков сделали столько наблюдений, собрали столько данных, обсудили столько теорий, научились определять абсолютный возраст древних геологических пород, распознавать химический состав отложений и понимать на этом основании, в каких природных условиях они накапливались, что палеоклиматология стала точнее, чем привычная нам история, которую мы пока еще не умеем измерять приборами и судить о ней по изотопам химических элементов и моделировать в будущее. О предсказаниях мы поговорим в следующий раз, а вот какие знания нам дала палеоклиматология.

1. Циклы Миланковича

Климат Земли претерпевает значительные изменения за 100 000–1 000 000 лет. Эти изменения происходят потому, что климат чувствителен к планетарным орбитальным изменениям. Земля вращается с наклонном оси, совершая так называемую прецессию, где вершина «волчка» перемещается по окружности с периодом примерно каждые 23 000 лет. Наклон оси Земли колеблется в пределах от 22.1 до 24.5° с периодом в ~40 000. Прецессия и наклон оси Земли происходят в результате гравитационного притяжения Луны и планет Солнечной системы, главным образом Юпитера. Земная орбита вокруг Солнца, слегка эллиптически вытянутая, циклически изменяет свой эксцентриситет в промежутках времени в ~100 000 лет.

Изменения наклона земной оси и ее прецессии отражаются на изменении поступающей солнечной радиации, особенно в высоких широтах, в то время как изменение эксцентриситета влияет на изменение получаемого солнечного тепла на всех широтах.

В настоящее время признано, что изменения в сезонном и широтном распределении солнечного тепла, достигающего Земли, генерируемые этими орбитальными циклами, циклами Миланковича, приводят к возникновению, росту или ­уменьшению ледяных шапок Земли. Важно рассматривать все три цикла совокупно. Ни один из этих циклов по отдельности не дал бы никаких изменений в земном климате.

Теория Миланковича прошла свой сложный путь адаптации научным сообществом, несколько десятилетий ее обсуждали и подвергали сомнениям, так же как сейчас теорию глобального потепления. Но после того, как были получены обширные свидетельства этих изменений, основанные на измерениях изотопного состава кислорода за последние 130 000 лет из ледяных кернов Гренландии и за 800 000 лет в Антарктиде, а позже из глубоководных донных колонок океана, лёссов, сталактитов и сталагмитов в пещерах, в глубоководных озерных отложениях, в кораллах и т. д., сомнений больше не осталось.

В последний миллион лет оледенения и межледниковья на Земле обусловлены орбитальными причинами и происходят с периодичностью в ~ 100 тыс. лет.

Следует отметить два существенных обстоятельства:

1) этот цикл нестабилен, он может колебаться, удлиняясь или укорачиваясь на несколько тысяч или даже десяток тысяч лет. Связано это со взаимным гравитационным притяжением планет Солнечной системы в разных точках прохождения их орбит и нуждается в постоянных корректировках текущей ситуации. Но цикл сам по себе остается; 2) начиная с миллиона лет назад периодичность оледенений на Земле близка к ~100 тыс. лет, совпадая с периодом изменения эксцентриситета. До этого, по крайней мере последние три миллиона лет, оледенения шли с периодичностью в ~40 тыс. лет, совпадая с периодичностью изменения наклона земной оси. Объяснение этого скачка уже забрезжило в многочисленных исследованиях, но оно еще не готово для популярного обсуждения. В нашем случае примем его как данность. На сегодняшний день ледниковые периоды сменяются межледниковыми, т. е. климат Земли меняется радикально раз в 100 тыс. лет по той причине, что Земля в результате совокупного положения всех трех орбитальных изменений получает большее количество солнечной радиации на свою поверхность.

Мы живем не так долго. Что-то должно объяснить и наши мелкие проблемы с климатом.

2. События Дансгаарда — Эшгера и новое понимание роли CO₂

В то время как форсирующие оледенения орбитальные циклы имеют синусоидальные колебания, циклы ледниковых и межледниковых периодов не являются простыми синусоидами. Ледниковые периоды, наоборот, резко заканчиваются, а начинаются постепенно, что указывает на сложные обратные связи между этими процессами.

После того как впервые были получены и исследованы ледяные керны из Гренландских колонок с очень высоким временным разрешением, стало очевидно, что в климате происходят резкие кратковременные изменения в течение 100–10 000 лет. Таким образом, на фоне орбитальных изменений климата существуют и кратковременные, которые для жизни человека гораздо важнее.

А теперь внимание!

В 1972 году датский ученый Дансгаард впервые исследовал содержание кислорода в накопленных слоях ледяных кернов и продемонстрировал, что соотношение тяжелых изотопов ¹⁸О и легких ¹⁶О во льду систематически варьирует в соответствии с изменением температуры, и это соотношение ¹⁸O/¹⁶O уменьшается на 0.7 (ppm) на каждый 1 °C похолодания [5].

Это соотношение упрощенно называется «дельта ¹⁸О» и определяется по формуле

δ ¹⁸O = ((¹⁸O/¹⁶O) _{в образце} – (¹⁸О/¹⁶О) _{стандарт} / (¹⁸О/¹⁶О_{стандарт})) × 1000 ‰

которая с тех пор стала основным инструментом получения палеотемператур почти во всех типах ископаемых осадков.

Чуть позже, уже вместе с Эшгером [6], они установили, что каждый внезапный рост ¹⁸O соответствовал 50 ppm повышения концентрации CO₂ и наоборот. Так были открыты Дансгаард — Эшгер (Д—Э) эпизоды потепления, сопровождающиеся последующим похолоданием. Они происходят в квазипериодическом режиме с интервалом в ~1.2 тыс. до 800 лет. Всего насчитывается 25 Д—Э эпизодов за 120 тыс. лет (рис. 2).

Если вы станете проверять Д—Э-события в «Википедии», вы прочитаете, что причина их до сих пор не ясна. Это не совсем так. Хотя тут еще многое предстоит понять, но одно из объяснений подтверждено наибольшим количеством исследований, и это явление называется «опрокидывающейся термохалинной циркуляцией» (соответствующего русского термина нет), которая ответственна за формирование меридиональной циркуляции Атлантического океана (“The Atlantic meridional overturning circulation” — AMOC — стандартная английская аббревиатура, или Атлантический меридиональный перенос тепла, АMПT по-русски. Мы же будем использовать гибрид этих терминов «Атлантическую меридиональную термохалинную циркуляцию» (AMТЦ).

Первоначальное предположение о том, почему произошли события Дансгаарда — Эшгера, предложено Валли Брокером [7] и оно остается преобладающим мнением до сих пор. Это конвейер, являющийся частью крупномасштабной циркуляции океана, регулируемый глобальным градиентом плотности, создаваемым температурой поверхности океана и приносом пресной воды. Он отвечает за крупномасштабный перенос водных масс в океане, включая перенос кислорода в глубокие слои океана. Весь круговорот занимает ~2000 лет [8].

Этого графика, без которого теперь вы не найдете ни одного учебника по любым наукам о Земле, не существовало всего 30 лет назад! Мы все знали со школьной скамьи о существовании Гольфстрима, но мы не знали, что это всего лишь часть глобального «конвейерного пояса» течений и что симметрично поверхностным течениям, переносимым ветром, существует придонные холодные течения, регулируемые разницей в температуре, солености и плотности океанической воды в разных широтах планеты. Но открытие Брокера было не в том, что существуют придонные течения (это выяснялось постепенно с усовершенствованием методов исследования океана), а в том, что этот конвейер имеет свойство заглушаться при резких потеплениях на поверхности Земли. И возобновляться при похолоданиях. Как?

Процитирую самого автора, В. Брокера с небольшими сокращениями.

«Эта крупномасштабная циркуляция обусловлена спуском в глубокие слой холодной и соленой воды в двух местах на планете: в Северной Атлантике, в окрестностях Исландии, и в Южном океане на периметре антарктического континента.

Эти потоки важны для климата Земли, потому что они перераспределяют тепло. Это перераспределение особенно важно для суши, окружающей Северную Атлантику. Заменяя воду, опускающуюся на дно Северной Атлантики, теплые воды на поверхности океана переносятся на север к Исландии в поверхностном рукаве конвейера. Поскольку этот верхний рукав течения проходит через низкие широты, он нагревается солнцем. Когда он достигает высоких северных широт, накопленное тепло выделяется в атмосферу. В зимние месяцы это тепло ослабляет холодные арктические воздушные массы, которые движутся на восток через Атлантику. Это дополнительное тепло помогает поддерживать мягкие зимы в Северной Европе. Масштаб переноса воды и энергии в этом конвейре огромны. Он равен ста Амазонкам и соответствует количеству осадков по всему земному шару. Движущийся на север рукав несет воду со средней температурой 12 °C в область Исландии. Вода, погружающаяся на глубину, в среднем составляет всего 2 °C. Следовательно, на каждый кубический сантиметр воды, переносимой на север верхней конечностью конвейера, в атмосферу выбрасывается 10 калорий тепла. Это составляет в целом ошеломляющую ­величину, равную примерно одной четверти ­солнечного ­тепла, поcтупающего в атмосферу над частью Атлантического океана, расположенного к северу от Гибралтара!»

И вот по какой-то причине этот конвейер заглушается.

«Что может вызвать перестройку циркуляции? Хотя у нас нет четкого ответа на этот вопрос, есть одна вероятность, которую можно назвать солевым генератором. Как показывают модели, наиболее эффективным средством вмешательства в формирование глубоких вод является увеличение поступления пресной воды в регион, где образуется „глубокая вода“. Такие инъекции разбавляют содержание соли в поверхностных водах, тем самым снижая их плотность. Если это разбавление продолжается до такой точки, что даже в самые холодные зимы вода, достаточно плотная для того, чтобы вытеснить нижние слои воды, больше не производится, может произойти затухание циркуляции. Именно поэтому на севере Тихого океана глубокие воды не образуются. В его поверхностных водах содержится так мало соли, что даже при охлаждении до точки замерзания (–1,8 °C) вода недостаточно плотна, чтобы проникнуть в глубокое море».

Langmuir Charles H., Broeker W. S. How to Build a Habitable Planet (pp. 560–561). Princeton University Press. 2017.

Итак, потепление вызывает приток пресной воды в океан, вероятно, главным образом за счет таянья льдов, что приводит к отсутствию инъекций плотной и соленой воды в придонную холодную, что тормозит конвейер, во всяком случае в его северной части.

30 лет изучения Д—Э-событий показало, что процесс, инициирующий их, на самом деле многоступенчатый, но главный вывод не изменился: потепление в северной части Атлантики приводит к ослаблению термохалинной циркуляции и последующему резкому похолоданию в высоких широтах.

Третий механизм климатических изменений: «закрытие» опрокидывающейся термохалинной циркуляции, вызванное потеплением и сопровождающееся последующим резким похолоданием.

Итак, мы поняли, что циркуляция атмосферы и океана, сложным, но всё же понятным переносом вещества и энергии может изменять климат Земли, если не в такой же степени, как орбитальные циклы Миланковича, но в очень значительной, и гораздо быстрее! Эти изменения, в отличие от орбитальных циклов, происходят резко и не вполне регулярно, и они всегда сопровождаются параллельным ростом и падением концентрации углекислого газа в атмосфере, что нам доказывают многообразные палеоклиматические данные.

Но и это еще не всё.

3. Событие Хайнриха

В 1988 году в ту пору молодой немецкий гео­лог Хартмунт Хайнрих, исследовавший морские отложения, сделал поразительное наблюдение [9]: в осадках глубоководной скважины, пробуренной в Северо-Восточной Атлантике, он обнаружил шесть последовательных слоев, похожих на отложения морен, т. е. на отложения тающих, отступающих ледников, перемежающихся слоями нормальных тонких морских осадков. Слои были сложены самыми разно­образными грубыми осадками, включающими крупные валуны, гальки и гравий.

Литологический анализ показал, что возраст камней около двух миллиардов лет, в то время как вмещающие их породы имели возраст всего в несколько сотен миллионов лет. Основываясь на этих наблюдениях, молодой Хайнрих сделал смелый вывод, что слои отложились в результате таяния айсберговых армад Лаврентийского канадского ледяного щита. Но как они туда попали? Хайнрих предположил, что они были принесены огромными айсбергами Лаврентийского ледникового щита, покрывавшего Канадский кристаллический щит, в процессе его внезапного таяния. Он назвал их Ice-rafted debris (IRD), дословно «сплавленные льдом обломки пород» (в русской терминологии я не наш­ла этого термина, связанного с Х-событиями; самый близкий термин «ледниковый рафтинг»).

Вслед за этим пошли годы исследований. Идея подтвердилась многими авторами, новыми анализами и разными палеоклиматическими методами. Оказалось, что Heinrich-event (Н-event), Х-событие, как его стали называть, совпадает с пиками Д—Э-событий, но оно более сильное и заметное, т. е. начинается очень внезапно и сопровождается бо́льшим похолоданием, чем при Д—Э-событиях. И конечно, то, что Х-события происходят гораздо реже, их периодичность 7–10 тыс. лет.

Самый важный вывод из этой работы, как в дальнейшем показал В. Брокер [10], Х-событие, заглушает Атлантическую меридиональную термохалинную циркуляцию (АМТЦ) в Северной Атлантике и приводит к резкому похолоданию на Европейском континенте и даже сказывается глобально на всей планете! Это заключение заставило по-новому посмотреть на Д—Э-события, и после многолетних исследований было установлено, что каждое из них сопровождалось ослаблением, но не полной остановкой АМТЦ.

Также выяснилось, что Антарктические ледяные колонки очень слабо или никак не проявляют Д—Э-события [11]. Еще годы исследований. И вот научное сообщество приходит к выводу, что события Д—Э отчетливо проявляются только в Северном полушарии, а события Хайнриха глобальны [12]. Их периодичность 6–10 тыс. лет. Как можно видеть (рис. 5), цикл событий Д—Э во время ослабления завершается пиком события Хайнриха.

Теперь мы знаем, что наряду с «тысячелетними» изменениями климата Д—Э, вызванными обратной связью системы АОС, существуют 7–10-тысячелетние Х-события, которые приводят к резкому изменению термохалинной циркуляции, а именно ее ослаблению или полному закрытию. Особенно важно знать, что все эти события неизменно сопровождаются соответственным ростом или падением СО₂ в атмосфере. И как мы ниже увидим, не только в ней.

Итак, в долгосрочной перспективе изменения объема ледников и ледяных щитов, а значит, и климат Земли контролируются астрономическим воздействием солнечной инсоляции. Однако на коротких тысячелетних отрезках времени обратные связи в атмосфере, океане и на суше существенно трансформируют эту взаимосвязь. К счастью, мы учимся ее понимать.

Перед тем, как перейти к рассказу, что происходит с СО₂ в атмосфере в геологической перспективе, я сделаю некоторые замечания.

• Революционное открытие Хайнриха и Брокера: небольшое потепление может привести к закрытию глобальной океанической циркуляции и резкому похолоданию.
• Мы не можем остановить тектонический термостат Земли, но мы можем его поломать.
• Углекислый газ не оседает в атмосфере, достигая концентрации на изотерме 270 K, как вода, а продолжает насыщать собою атмосферу, поднимаясь всё выше и достигая уровня 220 К, продолжая отражать инфракрасное излучение от поверхности. Это делает углекислый газ исключительным.

Об этом поговорим в следующий раз.

Ирина Делюсина

1. Цитата, приписываемая Чарлзу Лайелю.
2. Монин А. Введение в теорию климата. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1982.
3. The Köppen climate classification.
4. Archer D. Global Warming. Understanding the Forecast. Wiley, 2012.
5. Dansgaard W., Johnsen S. J., Clausen H. B. and Gundestrup N., Stable isotope glaciology, Meddel. om Gronland, 197, No. 2, 53. Рp, 1973.
6. Oeschger H., Beer J. , Siegenthaler U., Stauffer B., Dansgaard W. and Langway Jr. C. C., Late-glacial climate history from ice cores, Climate Processes and Climate Sensitivity, 288–298, 1983.
7. Broecker W.S., Peteet D.M., Rind D. Does the ocean-atmosphere system have more than one stable mode of operation? Nature. 1985;315(6014): 21–6.
8. oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_currents/05conveyor1.html
9. Heinrich H. Origin and Consequences of Cyclic Ice Rafting in the Northeast Atlantic Ocean During the Past 130,000 Years. Quaternary Research. 1988;29(2): 142–52.
10. Broecker W.S. The great ocean conveyor. Oceanography 4 (2), 79–89, 1991.
    
11. Broecker W.S. Paleocean circulation during the last deglaciation: a bipolar seesaw? Paleoceanography 13 (2), 119–121, 1998.
12. Markle B.R., Steig E.J., Buizert C., Schoenemann S.W., Bitz C.M., Fudge T.J. et al. Global atmospheric teleconnections during Dansgaard–Oeschger events. Nature Geoscience. 2017;10(1): 36–40.
13. Langmuir Ch., Broecker W. How to Build a Habitable Planet, Princeton University Press, 2012. 718 p.
14. pmel.noaa.gov/co₂/story/What+is+Ocean+Acidification%3F
15. Archer D. Near miss: the importance of the natural atmospheric CO₂ concentration to human historical evolution. Climatic Change. 2016;138(1):1–11.