Становится все более очевидным, что длительные засушливые условия, рекордная жара, устойчивые лесные пожары и частые, более сильные штормы, пережитые в последние годы, являются прямым результатом повышения глобальной температуры, вызванного добавлением человеком углекислого газа. в атмосферу. А новое исследование Массачусетского технологического института об экстремальных климатических явлениях в древней истории Земли предполагает, что сегодняшняя планета может стать более изменчивой, поскольку она продолжает нагреваться.
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Science Advances, изучает палеоклиматические данные за последние 66 миллионов лет кайнозойской эры, которая началась вскоре после вымирания динозавров. Ученые обнаружили, что в этот период колебания климата Земли испытали удивительный «потепление». Другими словами, потеплений - периодов длительного глобального потепления, продолжавшихся от тысяч до десятков тысяч лет, - было гораздо больше, чем похолоданий. Более того, явления потепления, как правило, были более экстремальными, с большими сдвигами температуры, чем явления похолодания.
Исследователи говорят, что возможное объяснение этой предвзятости к потеплению может заключаться в «эффекте умножения», при котором умеренное потепление - 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 группа ученых заметила, что эта предвзятость 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 сдвиги. Но по мере того, как сегодняшние арктические льды отступают, новое исследование предполагает, что мультипликативный эффект может вернуться, и результатом может стать дальнейшее усиление антропогенного глобального потепления.
«Ледяные щиты Северного полушария сокращаются и потенциально могут исчезнуть в результате долгосрочных последствий деятельности 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, таким как те, которые наблюдались в геологическом прошлом».
Соавтором исследования Арншайдта является Дэниел Ротман, профессор геофизики Массачусетского технологического института, а также соучредитель и содиректор Центра Лоренца Массачусетского технологического института.
Волатильный толчок
Для своего анализа команда обратилась к большим базам данных отложений, содержащих глубоководных бентосных фораминифер - одноклеточных организмов, которые существуют сотни миллионов лет и чьи твердые раковины сохранились в отложениях. На состав этих раковин влияет температура океана по мере роста организмов; поэтому раковины считаются надежным показателем температуры Земли в древности.
В течение десятилетий ученые анализировали состав этих раковин, собранных со всего мира и датированных различными временными периодами, чтобы проследить, как колебалась температура Земли на протяжении миллионов лет.
«При использовании этих данных для изучения экстремальных климатических явлений большинство исследований были сосредоточены на отдельных больших скачках температуры, обычно на несколько градусов по Цельсию», - говорит Арншайдт. «Вместо этого мы попытались посмотреть на общую статистику и учесть все связанные с этим колебания, а не выделять большие».
Команда сначала провела статистический анализ данных и обнаружила, что за последние 66 миллионов лет распределение глобальных температурных колебаний не напоминало стандартную кривую нормального распределения с симметричными хвостами, представляющими равную вероятность экстремально теплые и экстремально холодные колебания. Вместо этого кривая была заметно перекошенной, смещенной в сторону более теплых, чем холодных событий. Кривая также продемонстрировала заметно более длинный хвост, представляющий потепления, которые были более экстремальными или имели более высокую температуру, чем самые экстремально холодные явления.
«Это указывает на то, что есть некое усиление по сравнению с тем, что вы в противном случае ожидали бы», - говорит Арншайдт. «Все указывает на что-то фундаментальное, что вызывает этот толчок или предвзятое отношение к потеплению».
«Справедливо сказать, что земная система становится более изменчивой в смысле потепления», - добавляет Ротман.
Множитель потепления
Команда задалась вопросом, могла ли эта предвзятость к потеплению быть результатом «мультипликативного шума» в климато-углеродном цикле. Ученые давно поняли, что более высокие температуры, до определенного предела, имеют тенденцию ускорять биологические и химические процессы. Поскольку углеродный цикл, который является ключевой движущей силой долгосрочных колебаний климата, сам состоит из таких процессов, повышение температуры может привести к более сильным колебаниям, смещая систему в сторону экстремальных явлений 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 можно объяснить мультипликативной теорией. Другими словами, весьма вероятно, что за последние 66 миллионов лет периоды умеренного потепления в среднем усиливались за счет мультипликативных эффектов, таких как реакция биологических и химических процессов, которые еще больше нагревали планету.
В рамках исследования исследователи также изучили 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 задались вопросом, почему многие прошлые события потепления, по-видимому, совпадали с этими изменениями, и почему эти события показывают чрезмерное потепление по сравнению с тем, что изменение орбиты Земли могло бы вызвать само по себе.
Итак, Арншайдт и Ротман включили орбитальные изменения Земли в мультипликативную модель и свой анализ изменений температуры Земли и обнаружили, что эффекты мультипликатора могут в среднем предсказуемо усиливать умеренное повышение температуры из-за изменений на орбите Земли.
«Климат нагревается и охлаждается синхронно с орбитальными изменениями, но сами орбитальные циклы предсказывают лишь скромные 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 орбитальными изменениями».
«Люди воздействуют на систему по-новому», - добавляет Арншайдт. «И это исследование показывает, что, когда мы повышаем температуру, мы, вероятно, будем взаимодействовать с этими естественными усиливающими эффектами».