Точные климатические модели играют важнейшую роль в климатологии и политике, помогая информировать политиков и лиц, принимающих решения во всем мире, когда они рассматривают способы замедления смертоносных последствий потепления планеты и адаптации к уже происходящим изменениям.

Для проверки их точности модели программируются для имитации прошлого климата, чтобы увидеть, согласуются ли они с геологическими данными. Моделирование может противоречить доказательствам. Как мы можем узнать, что из них верно?

В обзорной статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, рассматривается этот конфликт между моделями и доказательствами, известный как проблема глобальной температуры в голоцене.

Ведущий автор Даррелл Кауфман, регентский профессор Школы Земли и устойчивого развития, и постдокторский исследователь Университета Аризоны Элли Бродман, соавтор, которая работала над этим исследованием во время получения степени доктора философии в NAU, проанализировали широкий спектр доступных данных за последние 12 000 лет, чтобы решить эту проблему.

Исследование основано на работе Кауфмана, которая была включена в последний крупный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) и рассматривает вопрос о том, была ли средняя глобальная температура 6500 лет назад теплее, как показывают косвенные данные из естественных архивов информации о климате прошлого, или холоднее, как моделируют модели, по сравнению с концом 19 века, когда промышленная революция привела к значительному увеличению антропогенного потепления.

Эта комплексная оценка позволяет сделать вывод, что средняя глобальная температура около 6 500 лет назад, скорее всего, была теплее, а затем последовала многомиллионная тенденция к похолоданию, которая закончилась в 1800-х годах. Но, по их словам, несмотря на недавние исследования, которые утверждают, что разрешили эту загадку, все еще существует неопределенность.

"Количественная оценка средней температуры Земли в прошлом, когда в одних местах происходило потепление, а в других - похолодание, является сложной задачей, и необходимы дополнительные исследования, чтобы окончательно разрешить эту загадку", - сказал Кауфман.

Но отслеживание изменений средней глобальной температуры важно, потому что это та самая метрика, которая используется для оценки марша антропогенного потепления и определения согласованных на международном уровне целей по его ограничению". В частности, наш обзор показал, как удивительно мало мы знаем о медленно меняющемся климате, включая силы, которые сейчас приводятся в движение человеком и которые будут проявляться в повышении уровня моря и таянии вечной мерзлоты в ближайшие тысячелетия".

Что мы знаем

Мы знаем больше о климате голоцена, который начался после окончания последнего крупного ледникового периода 12 000 лет назад, чем о любом другом многомиллионном периоде. Существуют опубликованные исследования из различных природных архивов, которые хранят информацию об исторических изменениях, происходивших в атмосфере, океанах, криосфере и на суше; исследования, в которых рассматриваются силы, определявшие изменения климата в прошлом, такие как орбита Земли, солнечная радиация, извержения вулканов и парниковые газы; а также моделирование климатических моделей, которые переводят эти силы в изменение глобальной температуры. Все эти типы исследований были включены в данный обзор.

До сих пор проблема заключалась в том, что две наши значительные линии доказательств указывают в противоположных направлениях. Палеоэкологические "прокси" данные, которые включают свидетельства из океанов, озер и других природных архивов, указывают на пик средней глобальной температуры около 6 500 лет назад, а затем на глобальную тенденцию охлаждения, пока люди не начали сжигать ископаемое топливо. Климатические модели, как правило, показывают рост средней глобальной температуры за последние 6 500 лет.

Если данные прокси верны, то это указывает на недостатки моделей и, в частности, говорит о том, что обратная связь климата, которая может усилить глобальное потепление, недостаточно отражена. Если климатические модели верны, то инструменты для реконструкции палеотемператур должны быть отточены.

Мы также знаем, что независимо от того, идет ли речь о повышении или понижении температуры, изменение средней глобальной температуры за последние 6 500 лет было постепенным - вероятно, менее 1 градуса Цельсия (1,8 градуса по Фаренгейту). Это меньше, чем потепление, уже измеренное за последние 100 лет, большую часть которого вызвал человек. Однако, поскольку глобальное изменение температуры любой величины значительно, особенно в ответ на изменение парниковых газов, знание того, была ли температура выше или ниже 6 500 лет назад, важно для наших знаний о климатической системе и улучшения прогнозов будущего климата.

Что мы не знаем

Данное исследование выявило неопределенности в климатических моделях. Если предпочтительная интерпретация авторов - что недавнему глобальному потеплению предшествовало 6 500 лет глобального похолодания - верна, то понимание учеными естественных климатических воздействий и обратных связей, а также того, как они представлены в моделях, нуждается в улучшении. Если это неверно, то ученым необходимо улучшить понимание температурного сигнала в прокси-записях и продолжить разработку аналитических инструментов для отражения этих тенденций в глобальном масштабе.

Попытка разрешить загадку глобальной температуры в голоцене стала приоритетной для климатологов в последнее десятилетие; Бродман помнит, как прочитала первую статью на эту тему, когда начала защищать докторскую диссертацию в 2016 году. Все исследования, проведенные с тех пор, дополнили понимание этого вопроса, что приблизило ученых в этой области к всестороннему пониманию.

В последних исследованиях по этой теме предпринимались попытки корректировки прокси-данных для учета их предполагаемых недостатков, введения правдоподобных воздействий в климатические модели и смешивания прокси-данных с результатами климатических моделей, и все они пришли к различным выводам о причине этой загадки. В данном обзоре мы делаем шаг назад, чтобы вернуться к этому вопросу с помощью всеобъемлющей глобальной оценки, показывающей, что мы еще не знаем решения этой головоломки.

Разработка широко применимых методов количественной оценки температуры в прошлом уже является приоритетной задачей для климатологов. Например, лаборатория Кауфмана тестирует использование химических реакций с участием аминокислот, сохранившихся в озерных отложениях, в качестве нового метода изучения изменений температуры в прошлом. В сочетании с новой технологией радиоуглеродного датирования из лаборатории климата и экосистем Аризоны NAU, этот метод может помочь определить, обратило ли глобальное потепление вспять долгосрочную тенденцию к похолоданию.
Почему это важно

Бродман, чья работа связана с научной коммуникацией, создал рисунки, сопровождающие исследование. Это критически важный способ донесения труднопонимаемых результатов до аудитории - а в климатологии аудитория разнообразна и включает в себя преподавателей, политиков, некоммерческие организации и ученых по всему миру.

"Одним из интересных выводов является то, что наши результаты демонстрируют влияние, которое региональные изменения могут оказывать на среднюю глобальную температуру. Экологические изменения в некоторых регионах Земли, такие как сокращение арктического морского льда или изменение растительного покрова в тех местах, которые сегодня являются огромными пустынями, могут вызвать обратную связь, которая влияет на планету в целом", - сказал Бродман.

"При нынешнем глобальном потеплении мы уже видим, что некоторые регионы меняются очень быстро. Наша работа подчеркивает, что некоторые из этих региональных изменений и обратных связей действительно важно понять и учесть в климатических моделях".

Кроме того, по словам Кауфмана, точная реконструкция деталей изменения температуры в прошлом позволяет понять реакцию климата на различные причины естественного и антропогенного изменения климата. Эти реакции служат эталонами для проверки того, насколько хорошо климатические модели имитируют климатическую систему Земли.

"Климатические модели являются единственным источником подробных количественных прогнозов климата, поэтому их достоверность имеет решающее значение для планирования наиболее эффективных стратегий по смягчению последствий изменения климата и адаптации к ним", - сказал он. "Наш обзор показывает, что климатические модели недооценивают важные климатические обратные связи, которые могут усилить глобальное потепление".