Становится все более очевидным, что продолжительная засуха, рекордная жара, устойчивые лесные пожары и частые, более экстремальные штормы, наблюдавшиеся в последние годы, являются прямым результатом повышения глобальных температур, вызванного добавлением человеком углекислого газа в атмосферу. А новое исследование Массачусетского технологического института, посвященное экстремальным климатическим явлениям в древней истории Земли, предполагает, что сегодняшняя планета может стать более изменчивой по мере продолжения потепления.

В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science Advances, изучаются данные о палеоклимате за последние 66 миллионов лет, в кайнозойскую эру, которая началась вскоре после вымирания динозавров. Ученые обнаружили, что в течение этого периода колебания климата Земли испытали удивительную "тенденцию к потеплению". Другими словами, было гораздо больше событий потепления—периодов длительного глобального потепления, длящихся от тысяч до десятков тысяч лет,—чем событий похолодания. Более того, события потепления, как правило, были более экстремальными, с большими изменениями температуры, чем события охлаждения.

Исследователи говорят, что возможное объяснение этого смещения в сторону потепления может заключаться в "эффекте мультипликатора", при котором умеренная степень потепления—например, из—за вулканов, выбрасывающих углекислый газ в атмосферу-естественным образом ускоряет определенные биологические и химические процессы, которые усиливают эти колебания, приводя в среднем к еще большему потеплению.

Интересно, что команда заметила, что эта тенденция к потеплению исчезла около 5 миллионов лет назад, примерно в то время, когда в Северном полушарии начали формироваться ледяные щиты. Неясно, какое влияние лед оказал на реакцию Земли на климатические изменения. Но по мере того, как современные арктические льды отступают, новое исследование предполагает, что может проявиться мультипликативный эффект, и результатом может стать дальнейшее усиление глобального потепления, вызванного человеком.

"Ледяные щиты Северного полушария сокращаются и потенциально могут исчезнуть в результате долгосрочных действий человека",-говорит ведущий автор исследования Константин Арншайдт, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. "Наши исследования показывают, что это может сделать климат Земли принципиально более восприимчивым к экстремальным, долгосрочным явлениям глобального потепления, подобным тем, которые наблюдались в геологическом прошлом".

Соавтором исследования Арншейдта является Даниэль Ротман, профессор геофизики Массачусетского технологического института, соучредитель и содиректор Центра Лоренца Массачусетского технологического института.

Волатильный толчок

Для их анализа команда обратилась к большим базам данных отложений, содержащих глубоководные бентические фораминиферы-одноклеточные организмы, которые существуют уже сотни миллионов лет и твердые оболочки которых сохраняются в отложениях. Состав этих оболочек зависит от температуры океана по мере роста организмов; поэтому оболочки считаются надежным показателем древних температур Земли.

В течение десятилетий ученые анализировали состав этих раковин, собранных со всего мира и датированных различными периодами времени, чтобы проследить, как колебалась температура Земли на протяжении миллионов лет.

"При использовании этих данных для изучения экстремальных климатических явлений большинство исследований было сосредоточено на отдельных больших скачках температуры, обычно на несколько градусов по Цельсию", - говорит Арншайдт. "Вместо этого мы попытались взглянуть на общую статистику и рассмотреть все связанные с этим колебания, а не выбирать самые крупные".

Команда сначала провела статистический анализ данных и заметила, что за последние 66 миллионов лет распределение глобальных колебаний температуры не напоминало стандартную колоколообразную кривую с симметричными хвостами, представляющими равную вероятность экстремальных теплых и экстремальных холодных колебаний. Вместо этого кривая была заметно кривобокой, смещенной в сторону более теплых, чем прохладных событий. Кривая также демонстрировала заметно более длинный хвост, представляющий теплые события, которые были более экстремальными или имели более высокую температуру, чем самые экстремальные холодные события.

"Это указывает на то, что есть какое-то усиление по сравнению с тем, что вы ожидали бы в противном случае", - говорит Арншайдт. "Все указывает на что-то фундаментальное, что вызывает этот толчок или смещение в сторону потепления".

"Справедливо сказать, что земная система становится более изменчивой в смысле потепления", - добавляет Ротман.

Множитель потепления

Группа задалась вопросом, не могло ли это смещение в сторону потепления быть результатом "мультипликативного шума" в цикле климат-углерод. Ученые давно поняли, что более высокие температуры, вплоть до определенного момента, имеют тенденцию ускорять биологические и химические процессы. Поскольку углеродный цикл, который является ключевым фактором долгосрочных климатических колебаний, сам состоит из таких процессов, повышение температуры может привести к более значительным колебаниям, склоняя систему к экстремальным явлениям потепления.

В математике существует набор уравнений, описывающих такие общие усиливающие или мультипликативные эффекты. Исследователи применили эту мультипликативную теорию к своему анализу, чтобы увидеть, могут ли уравнения предсказать асимметричное распределение, включая степень его перекоса и длину его хвостов.

В конце концов, они обнаружили, что данные и наблюдаемое смещение в сторону потепления могут быть объяснены мультипликативной теорией. Другими словами, весьма вероятно, что за последние 66 миллионов лет периоды умеренного потепления в среднем еще более усиливались за счет мультипликативных эффектов, таких как реакция биологических и химических процессов, которые еще больше согрели планету.

В рамках исследования исследователи также рассмотрели корреляцию между прошлыми событиями потепления и изменениями на орбите Земли. На протяжении сотен тысяч лет орбита Земли вокруг Солнца регулярно становится более или менее эллиптической. Но ученые задавались вопросом, почему многие прошлые события потепления, по-видимому, совпали с этими изменениями, и почему эти события характеризуются значительным потеплением по сравнению с тем, что изменение орбиты Земли могло произойти само по себе.

Итак, Арншайдт и Ротман включили изменения орбиты Земли в мультипликативную модель и свой анализ изменений температуры Земли и обнаружили, что мультипликативные эффекты могут предсказуемо усиливать в среднем умеренное повышение температуры из-за изменений орбиты Земли.

"Климат нагревается и охлаждается синхронно с изменениями орбиты, но сами орбитальные циклы предсказывают лишь незначительные изменения климата", - говорит Ротман. "Но если мы рассмотрим мультипликативную модель, то умеренное потепление в сочетании с этим мультипликативным эффектом может привести к экстремальным явлениям, которые, как правило, происходят одновременно с этими изменениями орбиты".

"Люди заставляют систему работать по-новому", - добавляет Арншайдт. "И это исследование показывает, что, когда мы повышаем температуру, мы, вероятно, будем взаимодействовать с этими естественными, усиливающими эффектами".

ИСТОЧНИК