Сто тысяч лет назад ледовый покров Арктики не таял при гораздо более теплом климате

Рис. 1. Современный ледовый покров в Арктике и места отбора проб для исследования. а — усредненные за 1988–2007 годы площади арктических льдов в марте (зимний максимум, вверху) и в сентябре (летний минимум, внизу). Маленькими черными точками обозначены места отбора материала с поверхности для анализа распространения современных льдов с помощью биомаркера IP₂₅. Четыре больших черных точки — скважины, материал которых использовался в обсуждаемом исследовании. Цветовая шкала — заполненность акватории льдами, в процентном отношении, темно-серым показана суша. b — батиметрическая карта Северного Ледовитого океана с указанием местоположения скважин, использованных в данном исследовании (красные точки) и пробуренных ранее (белые ромбы). Линиями показана сентябрьская граница 50-процентного ледового покрова для 2007 года (белая), 2002–2006 годов (сиреневая) и 1979–1983 годов (желтая). Видны темпы сокращения площади ледового покрова в Арктике. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

В течение последних десятилетий в условиях глобального потепления ледовый покров Арктики стремительно сокращается. Климатические модели указывают, что уже в ближайшие 50–100 лет Арктика в летний период будет полностью свободна ото льда. Реализация такого сценария может иметь катастрофические последствия. Но только ли с ростом температуры атмосферы связано активное таяние арктических льдов? Немецкие ученые изучили образцы из четырех скважин со дна Северного Ледовитого океана и по характерным биомаркерам восстановили динамику изменений полярных льдов в период 140–60 тысяч лет назад. Оказалось, что даже во время Эмианского межледниковья, когда было существенно теплее, чем сейчас, северная полярная шапка не исчезала. Авторы исследования связывают это с более низким содержанием CO₂ в атмосфере в то время.

Арктические льды — важный элемент глобальной климатической системы. Они препятствуют свободному тепловому обмену между океаном и атмосферой в полярных областях, а также существенно влияют на альбедо (отражающую способность) Земли. Лед и снег лучше воды отражают солнечное излучение, поэтому сокращение площади полярных льдов, вызванное глобальным потеплением, запускает петлю положительной обратной связи, еще больше усиливающей это потепление.

Группа немецких ученых под руководством профессора Рюдигера Штайна (Rüdiger Stein) из Центра полярных и морских исследований Гельмгольца Института Альфреда Вегенера (Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research) проанализировала динамику изменений площади ледникового покрова в Арктике в период 140–60 тысяч лет назад и связь этих изменений с палеотемпературами на планете и содержанием CO₂ в атмосфере. Указанный период охватывает завершающий этап предпоследнего, Заальского (или Днепровского; см. Saale glaciation), оледенения (морская изотопная стадия 6, MIS-6, см. Illinoian) и последовавшее за ним Эмианское (или Микулинское; см. Eemian) межледниковье (морская изотопная стадия 5е, MIS-5e). В период последнего высокие широты были существенно (на 8–9°C) теплее, а уровень Мирового океана — на 5–9 м выше, чем сегодня.

Морские изотопные стадии (Marine isotope stage, MIS) — сменяющие друг друга теплые и холодные периоды в истории климата Земли, выделенные на основе анализа изотопов кислорода в морских отложениях. Нумеруются стадии в обратном порядке от современного этапа, который обозначается MIS-1. Четные стадии с высоким уровнем ¹⁸О соответствуют холодным ледниковым периодам, а нечетные, с низкими показателями ¹⁸О, — теплые межледниковые интервалы.

Исследования базировались на изучении определенных биомаркеров (следов жизнедеятельности организмов) в отложениях арктических морей из четырех скважин, пробуренных в различных частях Северного Ледовитого океана (рис. 1). Прежде всего, анализировалось содержание разветвленных изопреноидов, содержащих 25 атомов углерода, образующихся только в живых клетках специфических диатомовых водорослей, живущих в толще арктического льда (см. Е. Бадьева. Живой лёд). Этот биомаркер, получивший название IP₂₅, однозначно указывает на наличие в прошлом на изучаемой площади ледового покрова. Также изучались такие биомаркеры, как брассикастерол (brassicasterol, синтезируется определенными одноклеточными водорослями, обитающими в условиях открытой воды), диностерол (dinosterol, стероид, вырабатываемый динофлагеллятами, входящими в состав морского фитопланктона) и ненасыщенный изопреноид HBI-III, являющийся биомаркером наземных растений.

Наиболее информативным с точки зрения изучения динамики ледового покрова авторы считают показатель отношения IP₂₅ к брассикастеролу. Для обстановки сплошного круглогодичного ледового покрова значения обоих маркеров стремятся к нулю, что указывает на крайне низкую биологическую активность в подобных условиях. В периоды нестабильного, сезонно меняющегося ледового покрова, для внутренних его частей были характерны высокие показатели IP₂₅, а для внешних, прибрежных частей, откуда в весенне-летний период льды отступали, — высокие значения брассикастерола. Два других биомаркера (диностерол и HBI-III) использовались в качестве вспомогательных для уточнения ледово-водной обстановки и примерной оценки удаленности от берега.

По результатам замеров содержаний биомаркеров в осадочных породах четырех скважин были построены цифровые модели распространения ледового покрова в Арктическом бассейне в период последнего межледниковья (рис. 2). На картах ледовой обстановки, полученных в результате моделирования, видно, что даже в условиях теплого климата последнего межледниковья (стадия MIS-5e) ледовый покров существовал в центральной части Арктического бассейна в течение всего лета, а Баренцево море, напротив, было свободно ото льда не только в межледниковую стадию MIS-5e, но и в течение предыдущей ледниковой стадии MIS-6, что было связано с притоком теплой воды из Атлантики.

Рис. 2. Построенные с помощью компьютерного моделирования карты распространения ледового покрова в Арктическом бассейне в период последнего межледниковья (LIG — Last Interglacial) по трем месяцам (сверху вниз): март, июнь, сентябрь; и по эпохам (слева направо): 130 тысяч лет назад, 125 тысяч лет назад, 120 тысяч лет назад. В крайнем правом ряду приведены для сравнения данные для доиндустриальной эпохи. Белыми кружочками отмечены места расположения скважин, материал которых использовался в исследовании. Цветовая шкала — заполненность акватории льдами, в процентном отношении, от 0% (0,0) до 100% (1,0). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Еще один интересный результат заключается в том, что для периода ледниковой стадии MIS-6 были обнаружены отдельные индикаторы обстановки открытой воды. Авторы объясняют это тем, что в летние месяцы у южных берегов арктических морей могли образовываться полыньи по подобию тех, которые образуются сегодня у берегов Антарктиды и Гренландии. Механизм образования таких участков открытой воды известен. Он связан с тем, что, когда прибрежная поверхность суши покрыта ледниковым щитом — а в период предпоследнего ледниковья все побережье Евразии и Северной Америки было покрыто ледниковым щитом толщиной около 1 км (см. M. Jakobsson et al., 2016. Evidence for an ice shelf covering the central Arctic Ocean during the penultimate glaciation), — над ее поверхностью формируется толща холодного воздуха, перетекающая в сторону океана в соответствии с наклоном ледника. При этом формируются так называемые стоковые ветры, которые еще называют ледниковыми или катабатическими (katabatic wind). Эти ветры усиливаются по мере приближения к океану, непрерывно дуя в одном направлении (в сторону океана) в течение многих лет и отгоняя обломки льда от берега. В прибрежной зоне при этом образуются участки свободной воды. В научной литературе такие участки называют русским словом «полынья» (polynya).

Полученные результаты авторы сравнили с прогнозными таблицами глобальных климатических изменений, приведенных в последнем, пятом оценочном докладе (Assessment Report 5, или AR5) Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). В докладе предусматривается четыре сценария глобальных изменений (RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 и RCP8.5), в соответствии с которыми рост среднегодовых глобальных температур относительно периода 1986–2005 годов составит к 2100 году: 1,0, 1,8, 2,2 и 3,7^оС соответственно. Сценарии RCP (Representative Concentration Pathways) имеют числовое обозначение, означающее кратность увеличения радиационного воздействия на поверхность Земли к 2100 году относительно доиндустриальных значений (+2,6; +4,5; +6,0 и +8,5 Вт/м² соответственно). Именно на основе прогнозов глобальных климатических изменений, данных в оценочных докладах МГЭИК, основываются долгосрочные стратегические решения в области экономики и геополитики. Поэтому так важны любые исследования, подтверждающие эти прогнозы или вносящие в них коррективы.

Три последних модельных сценария (RCP4.5, RCP6.0 и RCP8.5) предполагают, что весь Арктический бассейн летом будет свободен ото льда, однако результаты исследования авторов публикации показывают, что ледниковый покров в Арктике сохранялся и при более высоких средних температурах. В частности, в период последнего межледниковья (стадия MIS-5e) в летние месяцы льды занимали 60–70% Арктического бассейна, а средние температуры на планете при этом были на на 8–9°C выше, чем сейчас.

Несмотря на непрерывное совершенствование цифровых моделей геоклиматических изменений, эти модели пока далеки от совершенства и не могут учитывать весь огромный спектр факторов, способных повлиять на климат планеты, ограничиваясь двумя главными — температурой и концентрацией в атмосфере Земли парниковых газов, показателем которой служит условный эквивалент СО₂. Для сценариев RCP4.5 и RCP6.0, к примеру, концентрация составляет соответственно 583 и 808 ppm эквивалента СО₂. Концентрации же CO₂ в атмосфере Земли периода последнего межледниковья, полученные на основе данных ледового бурения в Антарктиде (J. R. Petit et al., 1999. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica), составляли лишь 290 ppm, что примерно соответствует доиндустриальным значениям и на 110 ppm ниже, чем сегодняшние значения.

Авторы исследования предположили, что именно низким содержанием парниковых газов в атмосфере в период последнего межледниковья объясняется тот факт, что ледовый покров тогда сохранялся даже при высоких температурах. Для проверки своей гипотезы они использовали климатические модели, разработанные в Институте Альфреда Вегенера. При заложенных значениях 500 ppm условного эквивалента СО₂ моделирование показало, что при заданных температурах льды таяли бы достаточно быстро и полностью исчезли бы в течение 250 лет.

Получается, что рост концентраций парниковых газов в атмосфере является не менее губительным для арктических льдов, чем просто рост температур, и этот фактор надо тщательно учитывать в прогнозных климатических моделях, от точности которых во многом зависит правильность принятия экономических и стратегических решений в области долгосрочного стратегического планирования в масштабах всего земного шара.

Источник: Ruediger Stein, Kirsten Fahl, Paul Gierz, Frank Niessen, Gerrit Lohmann. Arctic Ocean sea ice cover during the penultimate glacial and the last interglacial // Nature Communications. 2017. DOI: 10.1038/s41467-017-00552-1.

Владислав Стрекопытов