Существует новый способ измерения средней температуры океана благодаря исследователям из Института океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего. В статье, опубликованной в журнале Nature от 4 января 2018 года, геолог Джефф Северингхаус и его коллеги из Scripps Oceanography и институтов в Швейцарии и Японии подробно описали свой новаторский подход.
Определение изменений средней температуры всего Мирового океана оказалось практически невыполнимой задачей из-за разного распределения водных масс. Каждый слой воды может иметь совершенно разные температуры, поэтому определение среднего значения по всей поверхности и глубинам океана представляет собой сложную задачу.
Северингхаус и его коллеги смогли обойти эти препятствия путем косвенного определения стоимости. Вместо измерения температуры воды они определили соотношение благородных газов в атмосфере, которое находится в прямой зависимости от температуры океана.
«Этот метод - радикально новый способ измерения изменения общего количества тепла в океане», - сказал Северингхаус. «Он использует тот факт, что атмосфера хорошо перемешана, поэтому одно измерение в любой точке мира может дать вам ответ».
В ходе исследования ученые измерили содержание благородных газов аргона, криптона и ксенона в пузырьках воздуха, захваченных льдом Антарктиды. По мере нагревания океанов криптон и ксенон выбрасываются в атмосферу в известных количествах. Таким образом, соотношение этих газов в атмосфере позволяет рассчитать среднюю глобальную температуру океана.
Измерения проводились на образцах льда, собранных в ходе проекта по отбору керна Западно-Антарктического ледяного щита (WAIS), руководителем которого является Северингхаус. В течение шести полевых сезонов в Антарктиде бур удалял лед цилиндрическими образцами длиной 3,7 метра (чуть менее 9 футов). Последний образец был взят на глубине 3 405 метров (более 11 000 футов) в 2011 году. Этот рекорд охватывает почти 100 000 лет, и возраст слоев можно определить с точностью до 50 лет. Атмосфера Земли смешивается в масштабе от недель до месяцев, поэтому измерение этих пузырьков воздуха дает, по сути, глобальное среднее значение. Для этого исследования ученые сосредоточились на образцах возрастом от 8 000 до 22 000 лет и собирали данные с шагом в среднем 250 лет..
Новое понимание циклов оледенения, которые происходили на Земле задолго до того, как люди начали влиять на температуру атмосферы и океанов, теперь возможно с помощью метода измерения количества инертных газов. Исследование показало, что средняя глобальная температура океана на пике последнего ледникового периода составляла 0,9 ºC (33,6 ºF). Средняя температура современного океана составляет 3,5 ºC (38,3 ºF). Дополнительные измерения между этими точками данных обеспечивают понимание глобального климата, которое раньше было невозможно.
«Причина, по которой это исследование настолько интересно, заключается в том, что предыдущие методы реконструкции содержания тепла в океане имеют очень большие неопределенности возраста, [что] сглаживает более тонкие особенности записи», - сказала соавтор Сара Шеклтон, аспирант лаборатории Северингхауса в Скриппсе. «Поскольку WAIS Divide очень хорошо датирован, мы впервые смогли увидеть эти тонкие особенности в записи дегляциации. Это помогает нам лучше понять процессы, которые контролируют изменения теплосодержания океана».
Эта статья является результатом пятнадцатилетней работы Северингхауса, а также аспирантов и докторантов в его лаборатории. Обсуждения с другим профессором Скриппса, исследователем атмосферы Ральфом Килингом, привели к этой идее. Килинг изучает уровни аргона в атмосфере, чтобы получить аналогичные данные о тепле океана за несколько десятилетий. Однако пузырьки воздуха, застрявшие во льду, не точно сохраняют уровни аргона. Северингхаус обнаружил, что ксенон и криптон хорошо сохраняются в ледяных ядрах, что дает информацию о температуре, которую затем могут использовать ученые, изучающие многие другие аспекты земных океанов и атмосферы на протяжении сотен тысяч лет..
В будущем соотношение тех же благородных газов можно будет определить по пробам атмосферы, взятым в любой точке мира. Например, измерение с мемориального пирса Эллен Браунинг Скриппс в Ла-Хойе представляет собой глобальное среднее значение температуры океана. Северингхаус надеется отладить процедуру.
"Наша точность сейчас составляет около 0,2 ºC (0,4 ºF), а потепление за последние 50 лет всего около 0.1 ºC", - сказал он, добавив, что передовое оборудование может обеспечить более точные измерения, что позволит ученым использовать эту технику для отслеживания текущей тенденции потепления в Мировом океане.
До сих пор наилучшие оценки были получены в рамках программы Argo, сети из более чем 3800 роботизированных поплавков, распределенных по всему Мировому океану, которые измеряют температуру и другие параметры и передают данные через спутник.
Скриппс управляет офисом проекта Арго и является одним из десятков организаций по всему миру, участвующих с момента его создания в 2000 году. Однако буи в основном ограничены свободными ото льда районами и погружаются только на глубину 2000 метров. (6 500 футов), оставляя неисследованными большие ключевые районы в поисках средней глобальной температуры океана.
В этом исследовании Северингхаус и его коллеги показали, что измерения инертных газов в атмосфере представляют собой исторические данные, которые давно разыскиваются научным сообществом, и могут быть дополнительно оптимизированы, чтобы получить представление о современных изменениях температуры океана.