Глобальное потепление после последнего оледенения сопровождалось опережающим повышением содержания СО₂ в атмосфере

Рис. 1. Места взятия проб (колонки отложений), по которым определяли температуру. Кружочками разного цвета показаны использованные в данном месте методы: отношение MBT (methylation index of branched tetraethers) /CBT (cyclization ratio of branched tetraethers) — индекса метилирования разветвленных тетраэфиров к индексу циклизации разветвленных тетраэфиров; Pollen — исследование пыльцы; Microfossils — исследование микрофоссилий (микроскопических палеоостатков); TEX₈₆, (tetraether index of tetraethers consisting of 86 carbon atoms) — индекс тетраэфиров, содержащих 86 атомов углерода; Ice core — керны льда; U^k′₃₇ (alkenone unsaturation index) — индекс содержания ненасыщенных кетонов, характерных для определенной группы фитопланктона; Mg/Ca — соотношение магния и кальция. Справа — распределение числа серий проб по широтам (синей линией показана площадь под данными широтами). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Потепление, сменившее последнее оледенение, сопровождалось повышением содержания в атмосфере диоксида углерода (CO₂), важнейшего парникового газа. Предыдущие исследования, опиравшиеся в основном на анализ ледовых кернов Антарктиды, констатировали сопряженный характер динамики СО₂ и температуры, причем оба показателя менялись одновременно, без какой-либо задержки (а иногда изменения СО₂ даже отставали от изменений температуры). Подобный результат казался обескураживающим. Гораздо более естественным было бы ожидать следование температуры за СО₂, а не СО₂ за температурой. Противоречие недавно сумела разрешить группа ученых из США, Китая и Франции. Обработав данные, полученные при анализе палеотемператур из 80 точек, находящихся на разных широтах, эти исследователи перешли от локальной оценки температуры к глобальной, средней для всей поверхности Земного шара. Сопоставление хода глобальной температуры с изменениями содержания СО₂ в атмосфере вывело четкую временную задержку между изменениями СО₂ и следующими за ними изменениями температуры.

Последнее сильное оледенение окончилось 19 000 лет назад. Земля начала постепенно согреваться, ледники, покрывавшие значительную часть континентов Северного полушария, стали отступать, уровень Мирового океана повышаться, а содержание в атмосфере диоксида углерода (углекислого газа) CO₂ — возрастать. Что послужило толчком для окончания очередного ледникового периода и начала глобального потепления? Каковы механизмы, вовлеченные в этот процесс? Предшествовало ли росту температуры увеличение концентрации CO₂ в воздухе или оно следовало с некоторым опозданием за температурой? Однозначных, принятых всем научным сообществом ответов на эти вопросы пока нет.

Данные анализа колонок льда (кернов) из Антарктиды выявили четко выраженные сопряженные долговременные (порядка сотни тысяч лет) колебания температуры и содержания CO₂ в атмосфере. Сначала эти данные охватывали последние 420 тыс. лет (керны со станции «Восток»), а потом и 800 тыс. лет (керны со станции «Конкордия», проект EPICA, см. Антарктический лед поведал о содержании метана и CO₂ в атмосфере Земли за последние 800 тысяч лет, «Элементы», 22.05.2008). Температуру определяли по содержанию во льду дейтерия (молекулы паров воды, содержащей дейтерий, требуют меньшего охлаждения для конденсации и выпадения в виде атмосферных осадков, чем молекулы обычной воды), а содержание CO₂ и других газов — по анализу пузырьков воздуха, захваченных при образовании очередного слоя льда. Колебания CO₂ и температуры, в свою очередь, зависели от периодических изменений орбиты Земли, так называемых циклов Миланковича (см. Климат Антарктиды в течение последних 800 тысяч лет определялся изменениями орбиты Земли, «Элементы», 17.08.2007). Однако практически все исследователи соглашались, что усиление или ослабление инсоляции, определяемое циклами Миланковича, само по себе недостаточно, чтобы послужить причиной окончания или наступления очередного ледникового периода. Очевидно, что на Земле должны действовать механизмы, многократно усиливающие данный эффект. Природа этих механизмов не очень понятна, но, по-видимому, важную роль играли океанические течения, в первую очередь — Атлантическая меридиональная циркуляция (AMOC, Atlantic meridional overturning circulation), приносящая теплые воды из Южного полушария и тропиков в высокие широты Северного полушария.

В работе Джереми Шакуна (Jeremy D. Shakun) из Гарвардского университета (Массачусетс, США), выполненной совместно с коллегами из других научных учреждений США, Китая и Франции и опубликованной недавно в журнале Nature, детально разбирается процесс глобального потепления, имевший место в период между 19 и 10 тыс. лет назад. Особое внимание исследователи уделили тому, как связаны между собой изменения температуры и содержания парниковых газов, прежде всего CO₂. Традиционно считается, что именно увеличение содержания CO₂ в атмосфере и служит причиной последующего потепления. Однако хорошо известно и то, что потепление само по себе приводит к усиленному выделению CO₂ из вод океана, а также из почвы (последнее из-за того, что возрастает интенсивность дыхания микроорганизмов и корней растений). Детальное сопоставление кривых хода CO₂ и температуры за 800 тыс. лет по данным ледовых кернов в Антарктиде показывает, что нет никакого заметного опережения изменений в содержании диоксида углерода, соответствующих изменениям температуры. Оба эти показателя меняются одновременно, а на некоторых отрезках времени мы видим даже, что кривая CO₂ следует за кривой температуры, а не предшествует ей.

Пытаясь разрешить эти противоречия, авторы обсуждаемой работы сосредоточили свое внимание на динамике не локальной температуры (а именно такая температура фигурирует в данных по ледовым кернам), а глобальной. Для этого пришлось собрать и упорядочить множество ранее опубликованных данных по палеотемпературам в период окончания последнего оледенения (19 000–10 000 лет назад). Были использованы результаты анализа серий проб из 80 точек в разных местах земного шара (см. карту на рис. 1). Из них 67 точек — это донные отложения в океане, а 13 точек — озерные отложения на континентах. В оценке палеотемпературы опирались на целый ряд показателей, меняющихся в зависимости от температуры, при которой образовывался очередной слой отложений. Например, таких как: отношение содержания магния к содержанию кальция (см. Paleothermometer); индекс тетраэфиров TEX₈₆, характеризующий состав липидов архебактерий; индекс U^k′₃₇, показывающий соотношение разных ненасыщенных кетонов — алькенонов (alkenone), синтезированных определенной группой планктонных водорослей и др. Датировку отложений проводили, в основном опираясь на радиоуглеродный метод (см. Радиоуглеродный анализ). Особое внимание авторы уделили анализу неопределенности, проводившемуся с помощью метода Монте-Карло в оценке как возраста отложений, так и палеотемператур.

Результаты исследования показали, что подъем температуры после последнего сильного оледенения был двухступенчатым (рис. 2а). Медленное возрастание в самом конце ледникового периода сменилось быстрым ростом в древнейшем дриасе (18–14 тыс. лет назад), затем выходом на плато в период бёллингского и аллерёдского потепления (14–12 тыс. лет назад), быстрым подъемом в позднем дриасе (12–10 тыс. лет назад) и выходом на плато в голоцене. Последние уточненные данные по динамике температуры и содержания CO₂, полученные в Антарктиде в рамках проекта EPICA, также выявили подобную двухступенчатую картину потепления. Температура и концентрация CO₂ в воздухе менялись в этом случае одновременно, демонстрируя очень высокую положительную корреляцию.

Собрав данные по всем точкам определения температуры и введя поправку на площадь территории, попадающей в определенный широтный пояс, Шакун и его соавторы сопоставили значения глобальной (усредненной для всего Земного шара) температуры с содержанием CO₂ в атмосфере при введении разной временной задержки (лага) между сроками оценки CO₂ и температуры (рис. 2b). Результаты анализа показали, что в глобальном масштабе изменения CO₂ предшествуют изменениям температуры, причем величина временной задержки составляет 460 ± 340 лет. Такой же анализ был отдельно проведен для Северного и Южного полушария. Выяснилось, что для Северного полушария изменения температуры также следуют за изменениями CO₂ с задержкой в 720 ± 330 лет, а вот для Южного полушария картина менее достоверная, но все же ясно, что CO₂ следует за температурой, а не предшествует ей. Временная задержка (со знаком «минус») для Южного полушария составляет –620 ± 660 лет.

Рис. 2. a — изменение средней глобальной температуры (синяя линия) как отклонение от средней температуры раннего голоцена (11,5–6,5 тыс. лет назад), а также изменение температуры по данным ледовых кернов из Антарктиды (красная линия) и содержание CO₂ в атмосфере (желтые точки). По горизонтальной шкале — время (в тыс. лет назад). LGM — последний ледниковый максимум, OD — древнейший дриас, B–A — бёллингское и аллерёдское потепление, YD — поздний дриас, Holocene — голоцен.

b — сопоставление изменения температуры и содержания CO₂ в атмосфере при введении разного времени задержки (Lag, в годах) между датами оценки CO₂ и температурой. Для всего земного шара (Global) — серая гистограмма; для Северного полушария (NH) — синяя гистограмма; для Южного полушария (SH) — красная гистограмма. Среднее значение временной задержки и доверительный интервал приведены на поле графика. Хорошо видно, что в Южном полушарии сначала изменялась температура, а уже вслед за ней содержание CO₂ (с задержкой в 620 лет); в Северном полушарии сначала изменялось содержание CO₂, а вслед за этим температура (с задержкой в 720 лет); в целом же для всего земного шара изменения CO₂ также предшествовали изменениям температуры (с задержкой в 460 лет). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Авторы работы полагают, что ситуация, фиксируемая в Антарктиде, не отражает глобальных изменений в температуре, а изменения содержания CO₂ все же, как правило, предшествуют изменениям температуры, а не следуют за ними. Единственное, но важное исключение — это самое начало потепления после последнего максимума оледенения. Очевидно, что тогда, 17,5 тыс. лет назад, увеличение средней температуры на 0,3°С (а это достаточно серьезное потепление) предшествовало возрастанию содержания CO₂ в атмосфере. Начало потепления не было спровоцировано увеличением концентрации CO₂, но в дальнейшем температура стала следовать за CO₂.

Сравнение подробной динамики процессов в Северном и Южном полушариях показывает, что в обоих случаях отмечен двухступенчатый подъем температуры, но небольшие изменения температуры происходят в противофазе, что объясняется, видимо, меняющейся интенсивностью Атлантической меридиональной циркуляции. Если циркуляция усиливается, то возрастает поступление теплой воды в северные широты, и, соответственно, охлаждается Южное полушарие; наоборот, ослабление циркуляции ведет к потеплению Южного полушария. Именно эти изменения локальной температуры и создают кажущийся неестественным эффект следования СО₂ за температурой, который отмечается в Южном полушарии.

Источник: Jeremy D. Shakun, Peter U. Clark, Feng He, Shaun A. Marcott, Alan C. Mix, Zhengyu Liu, Bette Otto-Bliesner, Andreas Schmittner, Edouard Bard. Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation // Nature. 2012. V. 484. P. 49–54.

См. также:
1) Eric W. Wolff. Climate change: A tale of two hemispheres // Nature. 2012. V. 484. P. 41–42.
2) Jeremy D. Shakun, Anders E. Carlson. A global perspective on Last Glacial Maximum to Holocene climate change (PDF, 2,10 Мб) // Quaternary Science Reviews. 2010. V. 29. P. 1801–1816 (вся статья в открытом доступе).

Алексей Гиляров