Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

ледниковые эпохи и очень резким переходом к более теплым межледниковьям. Кажется вероятным, что потепление происходит, когда все астрономические параметры сочетаются так, что поступающая солнечная энергия как в северном, так и в южном полушарии превосходит некоторое пороговое значение. Но почему изменения происходят так быстро, пока неясно. Почти наверняка эти изменения инсоляции усиливаются другими факторами — альбедо, парниковыми газами, изменениями в циркуляции воды в океанах.

Рисунок 23. Температура, содержание углекислого газа и содержание метана в атмосфере за последние 400 000 лет по измерениям ледяного керна со станции «Восток» в Антарктиде. Обратите внимание, что температура указана не в абсолютных значениях, а в виде отклонений от современного значения. Концентрации углекислого газа даны в виде числа частей на миллион по объему; современная концентрация взлетела до уровня 385, выходит за рамки шкалы, и здесь не показана. Концентрации метана даны в виде числа частей на миллиард по объему. (Данные взяты из работы: J. R. Petit et al., Vostok Ice Core Data for 420,000 Years, IGBP PAGES/World Data Center for Paleoclimatology Data Contribution Series 2001–076 [Boulder, CO: NOAA/NGDC Paleo climatology Program, 2001]. Смотрите также Petit et al. 1999).

Работа с циклами ледниковья-межледниковья в плейстоценовом ледниковом периоде подчеркнула важность таких усилений или факторов обратной связи для климатической системы Земли. Ученые также показали, что взаимодействия между этими механизмами чрезвычайно сложны: небольшие изменения в одном могут внезапно привести к огромным отклонениям в другом. Однако в целом исследователи климата получили хорошее общее представление о том, как действуют самые важные факторы обратной связи, и как некоторые из них взаимодействуют между собой.

Оказалось, что альбедо — один из самых важных параметров. Оно оказывает прямое влияние на среднюю температуру: высокое значение альбедо означает такое эффективное охлаждение Земли, что если бы нашу планету окутать белым одеялом, она бы замерзла (вот почему только суперпарниковый эффект может объяснить возврат Земли в теплое состояние после протерозойских периодов существования Земли-снежка). Для регулирования общего альбедо Земли важны природа и распределение различных типов поверхностей. Например, океаны отражают гораздо меньше солнечной энергии, чем континенты, и поэтому они поглощают больше тепла. Пустыни поглощают меньше энергии, чем леса, а снега и льды не поглощают почти ничего. Появилось предложение экономически эффективного способа борьбы с глобальным потеплением: использовать кровельные материалы исключительно белого цвета, увеличив тем самым среднее альбедо Земли. Резкий усиливающий эффект относительно небольших изменений альбедо в последние годы продемонстрировало быстрое потепление Арктики. До недавнего времени вместо морского льда, таявшего летом, в зимние морозы появлялся новый лед, и среднегодовое альбедо Арктики сохранялось примерно на одном уровне. Однако по мере потепления климата Земли образования нового льда перестало хватать для компенсации летнего таяния, и в результате с каждым годом увеличивалась площадь открытой воды, на которую падают солнечные лучи. Это привело к ускоренному потеплению, быстрому таянию ледников Гренландии, открытию северных судоходных путей, которые ранее считались непроходимыми из-за льдов, и схлопыванию среды обитания белых медведей. Хотя важность альбедо знали давно, скорость и интенсивность арктического потепления застала большинство ученых врасплох, поскольку температуры росли гораздо быстрее, чем могли предположить еще несколько лет назад. Некоторые специалисты прогнозируют, что всего через несколько десятилетий Северный Ледовитый океан в летние месяцы будет полностью свободен от льдов.

Важную роль обратной связи в климатической системе играют и парниковые газы. Данные ледяных кернов показывают, что существует корреляция между температурой и количеством парниковых газов в атмосфере: в холодные ледниковые эпохи концентрация меньше, а в теплые межледниковые — больше (рисунок 23). Когда эту корреляцию обнаружили впервые, было непонятно, что является причиной, а что следствием. Однако тщательное изучение хронологии показывает, что содержание углекислого газа отстает от температуры как минимум на несколько сотен лет; поэтому изменение его уровня должно быть следствием изменений в цикле ледниковья-межледниковья, а не причиной. Аналогичная ситуация наблюдается и для метана.

Нетрудно объяснить более высокую концентрацию метана в теплые периоды: основным природным источником этого газа является бактериальное разложение органического материала на болотах, а высокая температура ускоряет этот процесс. Кроме того, при таянии высокоширотной вечной мерзлоты во время межледниковий площадь заболоченных территорий увеличивается, что еще сильнее повышает производство метана. Во время ледниковых эпох наблюдаются обратные процессы.

Однако для двуокиси углерода картина не так ясна — отчасти из-за того, что источники атмосферного углекислого газа более сложны, чем источники метана. В масштабе циклов ледниковья-межледниковья его концентрация в атмосфере зависит от нескольких факторов, включая биологический круговорот углерода, температуру океанов и циркуляцию воды в них. Океаны особенно важны, поскольку содержат огромные объемы углекислого газа (сейчас примерно половина двуокиси углерода, выбрасываемой человечеством в атмосферу, поглощается океанами и будет сохраняться там тысячи лет и больше). Но вне зависимости от вовлеченных процессов увеличение концентрации двуокиси углерода во время межледниковых эпох действовало как мощная положительная обратная связь: оно усиливало потепление. Аналогичным образом уменьшение концентрации во время ледниковых эпох усиливало охлаждение; точно так же обстояли дела и с содержанием метана. Моделирование изменений температуры в плейстоценовый ледниковый период попросту не соответствует данным ледяных кернов, если в модели не принять во внимание эффекты обратной связи, соответствующие изменениям содержания парниковых газов (особенно с углекислого газа).

Существуют и другие факторы, создающие обратную связь, хотя в основном они менее изучены, чем изменения альбедо и содержания парниковых газов. Сюда входят некоторые явления, которые косвенно воздействуют на альбедо. Например, по мере роста ледников понижается уровень моря; это увеличивает общую площадь континентов и тем самым общее альбедо Земли. На альбедо влияют и значительные изменения растительного покрова в ходе циклов ледниковых и межледниковых эпох. С понижением температуры растительный покров заметно уменьшается, особенно в высоких широтах и на больших высотах. Поэтому когда альбедо увеличивается, увеличивается и количество пыли в атмосфере (этот эффект зафиксирован по увеличению количества пыли в ледяных кернах). Запыленная атмосфера частично блокирует поступающие солнечные лучи, что тоже дает подкрепляющую обратную связь. Во время теплого межледниковья более высокая температура обеспечивает усиление испарения и повышение влажности; однако водяной пар — это мощный парниковый газ, а потому такая ситуация способствует еще большему повышению температуры. Каждый из таких факторов обратной связи усиливает температурные колебания во время циклов ледникового периода.

Общая картина, сложившаяся в результате многих десятилетий исследования ледяных кернов и кернов из океанических осадочных пород, а также изучения других климатических данных, такова: астрономические циклы Миланковича инициировали и регулировали переходы между ледниковым и межледниковым климатом во время плейстоценового ледникового периода, однако эти тенденции усиливались из-за собственных реакций