При климате, близком к современному, уровень моря в плиоцене был на 25 метров выше

Рис. 1. Изучив песчаные отложения плиоценового возраста в долине реки Уонгануи в Новой Зеландии, ученые смогли определить, насколько сильно менялся уровень моря в плиоцене. Фото с сайта ru.wikipedia.org

По данным спутниковых наблюдений, из-за таяния ледников Гренландии и Антарктиды уровень Мирового океана ежегодно повышается примерно на 3,5 мм. При сохранении тренда на рост температуры, по самым мрачным прогнозам развития событий, в ближайшие сто лет под воду могут уйти целые государства, такие как Мальдивы, Нидерланды или Бангладеш. Но в относительно недавнем (по геологическим меркам) прошлом на Земле уже был период, когда средняя температура была на 1–2°C выше, чем сейчас, а содержание СО₂ в атмосфере практически равнялось современному, — это так называемый теплый период среднего плиоцена. Разные оценки уровня моря в этот период согласуются в том, что уровень был выше, чем сейчас, однако разброс очень большой — от 5 до 35 метров. Недавно в журнале Nature вышли две статьи, в которых разными методами эти оценки были существенно уточнены: теперь диапазон сужен до 15–25 метров.

Климат в среднем плиоцене (3,3–3,0 млн лет назад) был очень похож на современный: уже имела место сезонность, существовали ледниковые щиты Антарктиды и Гренландии, а содержание СО₂ в атмосфере было примерно равно современному — около 400 ppm. При этом температура была на 1–2°C выше. Поэтому теплый период среднего плиоцена обычно рассматривают в качестве примера состояния, к которому может приблизиться глобальная климатическая система в ближайшее столетие, если тенденция роста температур на планете сохранится.

Одним из главных факторов риска, связанных с глобальным потеплением, является рост уровня Мирового океана. Понимание того, в каких пределах менялся этот параметр в условиях среднего плиоцена, поможет понять, к чему следует готовиться человечеству.

Надо сказать, что и позднее, уже в плейстоцене, были периоды, когда климат на Земле был теплее современного. Это так называемые климатические оптимумы Гольштейнского (Holstein, 335–300 тыс. лет назад) и Эемского (Eemian, 130–115 тыс. лет назад) межледниковий. Средняя температура на Земле в эти периоды были на 1–2°C выше, чем в позднем голоцене (доиндустриальная эпоха). Выше на 6–10 м, чем сейчас, был и уровень моря (рис. 2).

Рис. 2. Изменение глобальных температур (вверху) и уровня моря (внизу) за последние 5 млн лет. За нулевую отметку приняты параметры позднего голоцена (доиндустриальная эпоха). Буквами Н и Е отмечены Гольштейнское и Эемское межледниковья. Графики из статьи J. E. Hansen, M. Sato, 2012. Paleoclimate Implications for Human-Made Climate Change и с сайта alpineanalytics.com

Несомненно, рост содержания СО₂ в атмосфере — важный фактор глобального потепления и связанного с ним повышения уровня Мирового океана. Однако этот фактор не единственный. Например, уровень СО₂ в период Гольштейнского и Эемского межледниковий, когда уровень моря был существенно выше, чем сегодня, был относительно низким — всего 280 ppm (на начало 2019 года содержание СО₂ в атмосфере составляло 408,78 ppm).

Отсюда понятно, что судить об уровне Мирового океана по одному из параметров, описывающих состояние атмосферы и влияющих на изменения климата, — например, только по температуре — невозможно, а учитывать в моделях взаимное влияние всех факторов (орбитальных параметров, влияющих на инсоляцию поверхности Земли, режимов атмосферных и океанических циркуляций, состава атмосферы, альбедо Земли и т. д.) очень и очень сложно.

Международная группа ученых под руководством Джорджии Роуз Грант (Georgia Rose Grant) из Университета королевы Виктории в Веллингтоне (Новая Зеландия) разработала прямой метод оценки уровня моря в прошлом по размеру и окатанности частиц песка в прибрежной зоне (метод PlioSeaNZ). Сначала были изучены современные песчаные отложения, благодаря чему ученые установили теоретическую взаимосвязь между гранулометрическим составом осадочных пород и глубиной, на которой они образовались, а затем применили полученную закономерность к непрерывной 800-метровой толще мелководных песчаных отложений плиоценового возраста в бассейне реки Уонгануи (Новая Зеландия). Эти породы, извлеченные при помощи бурения, содержат непрерывную последовательность неглубоких морских отложений плиоцена самого высокого разрешения в мире, что позволило ученым восстановить историю колебаний уровня моря со значительно большей точностью, чем это было возможно ранее.

Детальные замеры зерен после поправок на вертикальные тектонические движения сначала позволили получить представление о циклических изменениях относительного уровня моря (RSL — relative sea-level), амплитуда которых в течение ледниково-межледниковых циклов среднего-позднего плиоцена (3,3–2,5 млн лет) по оценкам авторов составляла 13±5 м. Затем к полученным результатам была применена астрономическая калибровка, выполненная ранее для отложений бассейна Уонгануи (T. R. Naish et al., 1998. Astronomical calibration of a southern hemisphere Plio-Pleistocene reference section, Wanganui Basin, New Zealand). То есть выявленные в результате гранулометрических исследований колебания были сопоставлены с более чем 50 зафиксированными в отложениях Уонгануи глобальными колебаниями уровня моря, которые являлись отражением природных климатических циклов, известных как циклы Миланковича (изменения орбитальных параметров Земли каждые 100 и 41 тыс. лет; подробнее о циклах Миланковича см. статьи Циклы Миланковича и Удлинение ледниковых циклов в плейстоцене может быть связано с ослаблением циркуляции океанических вод, «Элементы», 22.03.2019), а также с циклами продолжительностью 20 тыс. лет, связанными с циклическими изменениями инсоляции Антарктиды, вызванными орбитальной прецессией (рис. 3).

Рис. 3. Относительный уровень моря (RSL на правой шкале, в м; голубая линия), полученный методом PlioSeaNZ, и его сопоставление с орбитальными параметрами: эксцентриситетом орбиты (крайняя левая шкала; пунктирная линия) и величиной инсоляции (левая шкала, в Вт/м²; сплошная черная линия). Серым показаны периоды межледниковий. По горизонтали — время в млн лет и подразделения осадочной толщи бассейна Уонгануи. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Учет всех астрономических корректировок позволил авторам произвести оценку колебаний среднего уровня моря (GMSL — global-mean sea level) в плиоцене, который был на 5–20 м выше современного, а максимальное зафиксированное превышение составило 25 м (рис. 4). Предполагается, что для такого повышения нужно, чтобы растаяло до трети ледникового покрова Антарктиды, а также произошло практически полное освобождение от льда Гренландии.

Рис. 4. Амплитуда колебаний уровня моря в плиоцене относительно современного (в метрах). Синие точки — ледниковые фазы, красные — межледниковья. По горизонтали — время в млн лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Интересно то, что практически параллельно другие ученые под руководством Оаны Думитру (Oana A. Dumitru) из Университета Южной Флориды в США, используя другой метод прямых измерений, получили очень близкие значения. Объектом изучения этой группы исследователей стали пещеры Арты на острове Мальорка. В течение последних 4,5 млн лет эти пещеры были соединены с морем, и на границе соприкосновения морской воды со стенками пещер откладывались так называемые фреатические образования, сложенные карбонатами (кальцитом и арагонитом). Постоянное присутствие в их составе урана (на уровне примесей) позволило авторам, используя уран-свинцовый метод, определить возраст отложений. В итоге ученые получили абсолютно независимые данные, привязанные к абсолютному возрасту. По их определениям уровень моря в позднем плиоцене превышал современный на 16,2–23,5 м.

В недавно опубликованном Специальном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) об океанах и криосфере в условиях изменения климата отмечается, что более 90% образующегося вследствие глобального потепления избыточного тепла поглощается океаном. Наибольший рост температур отмечается в Южном океане, омывающем Антарктиду. Даже при нынешних темпах таяния антарктических ледников уровень Мирового океана к 2100 году повысится на 60–110 см. Авторы первого исследования говорят о том, что с учетом возникающей в системе ледники–океан положительной обратной связи, это повышение может составить до 2 м. Далее ситуация может развиваться катастрофически в связи с тем, что около 30% ледяного покрова Антарктиды окажется ниже уровня моря.

Источники:
1) G. R. Grant, T. R. Naish, G. B. Dunbar, P. Stocchi, M. A. Kominz, P. J. J. Kamp, C. A. Tapia, R. M. McKay, R. H. Levy, M. O. Patterson. The amplitude and origin of sea-level variability during the Pliocene epoch // Nature. 2019. V. 574. P. 237–241. DOI:  10.1038/s41586-019-1619-z.
2) Oana A. Dumitru, Jacqueline Austermann, Victor J. Polyak, Joan J. Fornós, Yemane Asmerom, Joaquín Ginés, Angel Ginés, Bogdan P. Onac. Constraints on global mean sea level during Pliocene warmth // Nature. 2019. V. 574. P. 233–236. DOI: 10.1038/s41586-019-1543-2.

Владислав Стрекопытов