В Атлантическом океане гигантский «конвейер» переносит теплые воды из тропиков в Северную Атлантику, где они охлаждаются и тонут, а затем возвращаются на юг в океанские глубины. Эта модель циркуляции играет важную роль в глобальном климате, регулируя погодные условия в Арктике, Европе и во всем мире. Факты все больше свидетельствуют о том, что эта система замедляется, и некоторые ученые опасаются, что это может иметь серьезные последствия, такие как понижение температуры в Европе и нагревание воды у восточного побережья Соединенных Штатов, что может нанести ущерб рыболовству и усилить ураганы.(Чрезмерное преувеличение потенциальных эффектов см. в фильме 2004 года «Послезавтра».)
Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, дает представление о том, как быстро эти изменения могут вступить в силу, если система продолжит слабеть. Это исследование, проведенное под руководством ученых Колумбийской обсерватории Земли Ламонт-Доэрти в сотрудничестве с Норвежским исследовательским центром, впервые точно определило временные задержки между прошлыми изменениями в конвейерной ленте океана и крупными изменениями климата.
Команда изучила ключевой участок модели океанских течений, известную как атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция (AMOC). Они остановились на участке, где вода опускается с поверхности на дно Северной Атлантики. Они подтвердили, что AMOC начал ослабевать примерно за 400 лет до резкого похолодания 13 000 лет назад и снова начал укрепляться примерно за 400 лет до резкого потепления 11 000 лет назад.
«Наши реконструкции показывают, что существуют четкие предвестники климата, обеспечиваемые состоянием океана - так сказать, предупреждающие знаки», - говорит ведущий автор Франческо Мускитьелло, который завершил работу в качестве постдока в Ламонт-Доэрти, а сейчас работает. в Кембриджском университете.
До сих пор было трудно решить, произошли ли прошлые изменения в конвейерной ленте океана до или после резких климатических сдвигов, которые обозначили последнюю дегляциацию в Северном полушарии. Чтобы решить обычные проблемы, команда собрала воедино данные керна отложений, пробуренного на дне Норвежского моря, керна озерных отложений из южной Скандинавии и кернов льда из Гренландии..
Ученые обычно полагаются на датировку радиоактивным углеродом (углерод-14) для определения возраста отложений; измерение того, сколько углерода-14 осталось в ископаемом, показывает, как давно умер организм, и, таким образом, насколько стары окружающие отложения. Однако в океанских отложениях эта взаимосвязь сложна, потому что углерод-14 образуется в атмосфере, и углероду требуется время, чтобы пройти через океан. К тому времени, когда он достигнет организмов на дне водной толщи, углероду-14 уже может быть сотни или тысячи лет. Поэтому команде нужен был другой способ датирования слоев осадочных пород в морском керне.
Вот почему они измерили содержание углерода-14 в керне отложений близлежащего озера. Древние слои озера содержат разлагающиеся растения, которые вытягивали углерод-14 прямо из атмосферы, поэтому ученые могли выяснить возраст каждого слоя озерных отложений. Затем они использовали несколько методов, чтобы сопоставить керновые слои озерных отложений с морскими керновыми слоями. Слои пепла от двух давних извержений вулкана в Исландии помогли выровнять ситуацию. Этот процесс дал команде точный возраст каждого слоя в морском ядре.
Далее они сравнили реальный возраст морских отложений с возрастом, полученным по измерениям содержания углерода-14 в глубинах океана; различия между этими двумя дали им оценку того, сколько времени потребовалось атмосферному углероду-14, чтобы достичь морского дна. Другими словами, это показало, как быстро вода опускалась в этом районе, в процессе, называемом образованием глубоких вод, который необходим для поддержания циркуляции AMOC. Теперь у них была запись моделей циркуляции океана в этом регионе с течением времени.
Последняя часть головоломки заключалась в анализе ледяных кернов из Гренландии для изучения изменений температуры и климата за тот же период времени. Измерения бериллия-10 в ледяных кернах помогли авторам точно связать ледяные керны с записями углерода-14, поместив оба набора данных на одну и ту же временную шкалу. Теперь они наконец смогли сравнить порядок событий между изменениями циркуляции океана и климатическими сдвигами.
Сравнение данных трех ядер показало, что AMOC ослабла во время, предшествовавшее последнему резкому похолоданию на планете, называемому Поздним дриасом, около 13 000 лет назад. Циркуляция океана начала замедляться примерно за 400 лет до резкого похолодания, но как только климат начал меняться, температура над Гренландией быстро упала примерно на 6 градусов.
Похожая картина возникла ближе к концу этого резкого похолодания; течение начало усиливаться примерно за 400 лет до того, как атмосфера начала резко нагреваться, выйдя из ледникового периода. Как только началась дегляциация, Гренландия быстро прогрелась - ее средняя температура поднялась примерно на 8 градусов всего за несколько десятилетий, что привело к таянию ледников и значительному уменьшению морского льда в Северной Атлантике.
«Эти [400-летние] задержки, вероятно, намного больше, чем многие ожидали», - говорит Андерс Свенссон, изучающий палеоклимат в Копенгагенском университете и не участвовавший в текущем исследовании.. «Многие предыдущие исследования предполагали временные задержки различной длины, но лишь немногие имели необходимые инструменты для определения фазы с достаточной точностью».
Соавтор Уильям Д'Андреа, палеоклиматолог из Ламонт-Доэрти, был удивлен тем, что они обнаружили: он говорит, что время задержки в два или три раза больше, чем он ожидал.
Пока не совсем понятно, почему произошла такая большая задержка между изменениями AMOC и климатическими изменениями над Северной Атлантикой.
Также трудно определить, что эти закономерности из прошлого могут означать для будущего Земли. Последние данные свидетельствуют о том, что AMOC снова начал ослабевать 150 лет назад. Однако нынешние условия сильно отличаются от того, что было в прошлый раз, говорит Мускитьелло; Тогда глобальный термостат был намного ниже, зимний морской лед простирался дальше на юг, чем гавань Нью-Йорка, и структура океана была бы совсем другой. Кроме того, ослабление AMOC в прошлом было гораздо более драматичным, чем сегодняшняя тенденция.
Тем не менее, Д'Андреа говорит, что «если AMOC ослабнет до такой степени, как тогда, то серьезные климатические изменения могут проявиться через сотни лет».
Muschitiello добавляет: «Очевидно, что в океане есть некоторые предшественники, поэтому мы должны наблюдать за океаном. Сам факт того, что AMOC замедляется, должен вызывать беспокойство, основываясь на том, что мы обнаружили.."
Исследование также должно помочь улучшить физику моделей климата, которые обычно предполагают, что климат резко реагирует одновременно с изменением интенсивности AMOC. Уточнения модели, в свою очередь, могут сделать прогнозы климата более точными. Как говорит Свенссон: «Пока мы не понимаем климат прошлого, очень трудно ограничить климатические модели, необходимые для создания реалистичных сценариев будущего».