Летние засухи 2015-2018 годов стали исключительными по масштабам засушливых условий на значительной территории Западной и Центральной Европы за последние 400 лет. Это указывает на влияние антропогенного глобального потепления. Однако многолетние засухи часто случались в 17 и 18 веках, хотя и не были такими сильными.

Таков результат нового исследования, опубликованного в журнале Communications Earth & Environment. Его провела исследовательская группа под руководством Мэнди Фройнд из Мельбурнского университета и Герхарда Хелле из Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ. Они реконструировали летний гидроклимат Европы путем анализа изотопных соотношений углерода (13C/12C) и кислорода (18O/16O) в кольцах деревьев из европейской сети лесных участков.

Это первая пространственная реконструкция поля на основе высокочувствительных к климату изотопов древесных колец. Это дает исследователям уникальный инструмент для изучения климатических изменений за последние столетия, как в глобальном обзоре, так и в региональном разрезе.

Развитие европейского гидроклимата

В последнее время в Европе наблюдается увеличение числа наводнений и засух. Эти экстремальные явления являются частью сложной динамики европейского гидроклимата. Получение точной пространственно-разрешенной картины динамики частоты и интенсивности экстремальных явлений на региональном и местном уровнях является сложной задачей, особенно в контексте долгосрочной климатической изменчивости. Мало что известно о долгосрочной пространственно-временной гидроклиматической изменчивости по всей Европе из-за довольно редкой доступности пространственно явных рядов данных, которые должным образом отражают региональные различия.

Европейская летняя засуха 2015-2018 гг. вызвала дискуссии о том, укладывается ли она в нормальный диапазон климатических колебаний или является результатом антропогенного потепления.
Новый подход к реконструкции гидроклимата последних 400 лет

Для решения этого вопроса была разработана пространственно разрешенная реконструкция гидроклимата Европы за последние 400 лет, которая опубликована в журнале Communications Earth & Environment. Она основана на анализе стабильных изотопов углерода и кислорода, т.е. вариантов этих элементов с разной массой, в старых древостоях из 26 лесных участков по всей Европе. Изотопные соотношения углерода 13C к 12C и кислорода 18O к 16O являются индикаторами засухи и влажности, соответственно, во время роста деревьев.

По сравнению с другими природными экологическими или климатическими архивами, такими как отложения в озерах или ледниковый лед, деревья широко распространены, а их древесные кольца предоставляют ежегодно разрешенную и абсолютно датированную информацию о гидроклиматических изменениях в течение длительных периодов времени и на соответствующих временных частотах от годовых до многосотлетних.

Исследование было в основном разработано и возглавлено Мэнди Фройнд, бывшим климатологом из Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ, а ныне работающей в CSIRO в Мельбурне, Австралия. Она возникла по инициативе секции 3.4 "Динамика климата и эволюция ландшафтов" GFZ, особенно Герхарда Хелле, руководителя лаборатории древесных колец, и Ульриха Кубаша, профессора Института метеорологии Свободного университета Берлина, в рамках исследовательской сети GEO.X по геонаукам в Берлине и Потсдаме. Дополнительный вклад внесли коллеги из других центров Гельмгольца (AWI, FZJ) и Университета Мельбурна.

Необычно сильная засуха 2015-2018 годов и прошлые климатические фазы

"Наше исследование показывает, что многолетняя летняя засуха 2015-2018 годов по своей интенсивности была крайне необычной в контексте нескольких столетий и беспрецедентной для значительной части центральной и западной Европы. Это позволяет предположить, что на летние засухи в Европе в последние годы потенциально влияет антропогенное потепление", - говорит Фройнд.

Однако реконструкция дает доказательства того, что многолетние засухи случались и в прошлом, особенно во время так называемого Маундеровского минимума между 1645 и 1715 годами, периода так называемого Малого ледникового периода, когда солнечная радиация была ниже, чем сегодня, а солнечные пятна были редки. Это удивительное наблюдение многолетних засух во время низкой солнечной радиации остается предметом будущих исследований.

"В целом, мы обнаружили три различных фазы изменчивости европейского гидроклимата, совпадающие с Маундеровским минимумом и окончанием Малого ледникового периода около 1860 года", - сказал Даниэль Балтинг из AWI, Бремерхафен.

С 1600 по примерно 1650 год - фаза довольно влажного климата, в основном в центрально-западной и северо-западной Европе, затем в течение примерно двухсот лет - довольно сухой период с описанными продолжительными засухами в основном в Средиземноморье, восточной и северной Европе, и примерно с 1875 года - фаза с более мягким летним климатом, которая продолжалась до середины 20 века. С этого времени исследователи наблюдают тенденцию к более сухим условиям, возможно, связанную с антропогенным потеплением.
Ключевой метод: Исследование соотношения изотопов в кольцах деревьев

"Записи стабильных изотопов в кольцах деревьев - это очень чувствительные к климату отпечатки летних условий влажности. Они в значительной степени не зависят от породы дерева, его возраста и местоположения. Поэтому стабильные изотопы древесных колец отличаются от более классических дендрохронологических параметров - ширины древесного кольца и плотности древесины", - объясняет Фройнд, главный исследователь исследования.

На каждом из 26 участков целлюлоза была получена из годовых колец старых, живых деревьев и исследована с помощью стандартных методов изотопного анализа. В то же время образцы можно было точно датировать с помощью дендрохронологических методов.

Климатические сигналы, содержащиеся в кольцах деревьев с соотношением изотопов углерода и кислорода, возникают в результате немного разных процессов.

Соотношение изотопов углерода 13C и 12C в кольцах деревьев обусловлено тем, как функционируют растения в процессе фотосинтеза. Этот процесс контролируется крошечными отверстиями в листьях, называемыми стоматами. С помощью стомат растения регулируют количество поглощаемого ими CO2 и количество водяных паров, которые они переносят в атмосферу.

Во время фотосинтеза в листьях и хвое фермент, фиксирующий CO2, преимущественно поглощает CO2 с более легким 12C. В сухую погоду деревья закрывают свои стоматы, чтобы сохранить воду, что также ограничивает количество поглощаемого ими CO2 и заставляет их поглощать CO2 с более тяжелым 13C для преобразования в сахар и, наконец, целлюлозу в кольцах деревьев.

На соотношение изотопов кислорода 18O и 16O в кольцах деревьев влияют физические процессы, связанные с потребностью атмосферы во влаге, основанные на таких факторах, как температура и влажность воздуха, а также количество, источник и история выпадения осадков.

Кроме того, во время транспирации растений изотопно более легкий (меньше 18O) водяной пар уходит в атмосферу, а изотопно более тяжелая вода (больше 18O) остается в листьях и иголках, накладывая отпечаток на изотопную подпись кислорода в целлюлозе древесных колец. Засуха обычно увеличивает транспирацию растений, что приводит к увеличению количества 18O в кольцах деревьев.

Преимущества деревьев как климатического архива

"Высококачественные реконструкции изменчивости гидроклимата на основе стабильных изотопов древесных колец не новы, однако это первый сетевой подход к созданию реконструкции климатического поля на всем европейском континенте", - говорит соавтор Герхард Шлесер из Форшунгсцентра Юлих (FZJ).

Чтобы понять пространственную сложность крупномасштабного европейского гидроклимата, необходимы более пространственно четкие, долгосрочные наборы данных из всех видов климатических архивов. Многовековые климатические данные необходимы для проверки климатических моделей, включая сравнение с другими наборами палеоклиматических, исторических и археологических данных.

Герхард Хелле, руководитель лаборатории древесных колец в секции 4.3 GFZ и специалист по анализу стабильных изотопов древесных колец, говорит: "Текущие усилия по консолидации сети изотопных данных древесных колец обеспечат исторические измерения для других наблюдений, например, с климатических станций или спутников. Эти методы уникальны с точки зрения пространственного охвата, но им не хватает того, что может предоставить анализ колец деревьев: долгосрочной информации, которая имеет решающее значение для улучшения нашего понимания изменения климата и соответствующих локальных и региональных воздействий на среду обитания человека".