Конец последнего оледенения отмечен одновременным повышением температуры и содержания CO₂ в атмосфере

Динамика хода содержания СО₂ в атмосфере (в ppm — частей на миллион, левая шкала) к изменениям температуры (шкала справа) в Антарктиде во время окончания последнего оледенения по данным Pedro et al. (верхняя панель) и Parrenin et al. (нижняя панель). Температура на обоих графиках показана сплошной линией, а точки соответствуют содержанию СО₂. Видно, что в обоих случаях температура и СО₂ меняются одновременно. (Из работы Brook, 2013)

Использование новых методов позволило уточнить различия в возрасте пузырьков воздуха, запечатанных во льду Антарктиды, и льда, непосредственно окружающего эти пузырьки. Соответственно, появилась возможность синхронизировать данные по многолетним изменениям содержания углекислого газа (СО₂) в атмосфере и температуры в районе Антарктиды. Это, в свою очередь, позволило подойти к решению давно волнующего экологов вопроса — что за чем следует: температура за содержанием СO₂ в атмосфере или наоборот — СО₂ за температурой? Анализ подробных данных для периода окончания последнего оледенения показал, что температура и СО₂ менялись практически одновременно. Повышение температуры способствовало поступлению СО₂ в атмосферу, а повышение содержания СО₂ приводило к повышению температуры вследствие усиления парникового эффекта.

Исследования антарктического льда свидетельствуют ,что в течение последних 800 тыс. лет содержание углекислого газа (СО₂) в атмосфере и температура менялись строго синхронно, по крайней мере в масштабе сотен тысяч лет. Традиционно считается, что температура должна следовать за изменениями СО₂, поскольку именно увеличение в воздухе содержания СО₂ приводит к усилению парникового эффекта, а следовательно — и к повышению температуры. Однако многие авторы не раз уже обращали внимание на то, что температура меняется практически одновременно с СО₂, в то время как из результатов других исследований вытекает, что СО₂ следует за температурой с некоторым запаздыванием.

Для того чтобы разобраться в сути этих явлений, необходимо точнее знать время изоляции («запечатывания») во льду пузырька воздуха, в котором впоследствии будут определять содержание СО₂, а также время образования окружающего льда. Относительное содержание дейтерия во льду используют как показатель температуры воздуха, в котором формируются атмосферные осадки (при конденсации водяных паров для молекул, содержащих дейтерий, требуется меньшее охлаждение, чем для молекул, содержащих обычный водород).

Некоторую надежду на разрешение этой проблемы дает недавняя работа международного коллектива авторов (Parrenin, Masson-Delmotte, Kohler et al., 2013), детально проанализировавших синхронные изменения содержания СО₂ и температуры в Антарктиде для периода окончания последнего оледенения — примерно 20–10 тыс. лет назад. В этой работе, а также в сопровождающей статье Э. Брука (Brook, 2013) рассмотрены и основные трудности, с которыми приходится сталкиваться, сопоставляя температуру и содержание СО₂.

Первая трудность касается образования самих пузырьков воздуха во льду. Лежащий на поверхности льда снег (точнее, фирн) постепенно с глубиной становится всё более плотным, превращаясь в твердый лед. Воздух с поверхности довольно свободно проходит через слой фирна, а когда он в конце концов образует запечатанный во льду пузырек, то по возрасту он оказывается существенно моложе окружающего его льда. В тех местах, где выпадает мало осадков, различие в возрасте льда и содержащегося в нём воздуха может достигать нескольких тысяч лет, причем оценить эту разницу можно только с большой ошибкой.

Вторая трудность связана с особенностями глобального цикла углерода. Содержание его в воздухе, прежде всего в виде СО₂, оказывает существенное влияние на климат, но и климат в неменьшей степени воздействует на СО₂. Например, нагрев поверхностных вод океана приводит к мощному выделению СО₂ в атмосферу, что вносит дополнительный вклад в общее потепление. Вертикальное перемешивание океанических вод в значительной мере определяет количество СО₂, которое может надолго уходить с поверхности в глубинные воды. Таким образом, климат и СО₂ постоянно оказывают друг на друга влияние. Выяснить, что есть причина, а что следствие не всегда просто. К тому же, если содержание СО₂ действительно отражает глобальное количество газа в атмосфере, то этого нельзя сказать о температуре — она в каждом конкретном случае зависит от локальной температуры в Антарктиде и крупномасштабного климатического тренда.

Корректно решить вопрос о том, что за чем следует — температура за содержанием СО₂ в атмосфере или же СО₂ за температурой, — можно только зная разницу в возрасте запечатанных во льду пузырьков воздуха и окружающего эти пузырьки льда. Авторы обсуждаемой работы (Parrenin et al., 2013) для определения возраста льда, формирующегося вокруг пузырьков, использовали отношение изотопов азота: более тяжелого ¹⁵N к более легкому ¹⁴N. По мере слеживания (старения) фирна это отношение возрастает. Метод не очень совершенный — ошибка в среднем составляет около 200 лет, но это всё равно значительный шаг вперед. Введя соответствующую поправку на возраст, авторы показали, что температура и СО₂ в течение всего периода последнего потепления (20–10 тыс. лет назад) менялись одновременно — судить о том, что за чем следует, практически невозможно.

Ход различных показателей состояния климата Антарктиды в период конца последнего оледенения (20–10 тыс. лет назад) с введением поправок на разницу возраста льда и пузырьков воздуха. Два верхних графика — относительное содержание дейтерия (показателя температуры). EDC — материалы по ледовому керну с купола «C» (работы в рамках проекта EPICA). ATS — материалы по нескольким кернам из разных мест Антарктиды после синхронизации с данными по EDC. Зеленая линия показывает соответствующие изменения содержания СО₂, а красная — метана (обратите внимание на другую шкалу — миллиардные доли, ppb). Самый нижний серый график — изменения тяжелого изотопа кислорода ¹⁸О в Гренландии. Из обсуждаемой статьи Parrenin et al.

Результаты данного исследования нашли независимое подтверждение в публикациях других авторов (Pedro et al., 2012), которые работали в прибрежных районах Антарктиды, где существенно меньше разница в возрасте пузырьков воздуха и окружающего льда. Они пришли к выводу, что в среднем за период последнего потепления содержание СО₂ в атмосфере несколько отставало от изменений температуры, но не исключают того, что в некоторые моменты ситуация могла быть противоположной.

Источники:
1) F. Parrenin, V. Masson-Delmotte, P. Köhler, et al. Synchronous changes of atmospheric CO₂ and Antarctic temperature during the last deglacial warming // Science. 2013. V. 339. P. 1060–1063.
2) Edward J. Brook. Leads and lags at the end of the last ice age // Science. 2013. V. 339. P. 1042–1043.
3) J. B. Pedro, S. O. Rasmussen, T. D. van Ommen. Rapid coupling of Antarctic temperature and atmospheric CO2 during deglaciation // Climate of the Past Discussions. 2012. V. 8. P. 621–636.

Алексей Гиляров