Рис. 1. Арктическая полярная шапка Земли в 1980 году (внизу) и в 2012 году. Карты построены на основе данных метеорологического спутника Nimbus 7 и программы DMSP. Многолетние льды показаны ярко-белыми пятнами с голубой каймой, бледным белым цветом показаны сезонные льды. Изображение с сайта earthobservatory.nasa.gov
Фиксируемый в последние десятилетия рост средней температуры климатической системы Земли происходит неравномерно. Метеорологические наблюдения указывают, что рост температур в Арктике идет в два раза быстрее, чем на остальной планете. Как это скажется на климате в других регионах? Частично на этот вопрос отвечает выполненное американскими и бельгийскими геологами и климатологами моделирование климатических условий раннего и среднего голоцена, указывающее, что потепление, происходившее 11–8 тыс. лет назад в арктическом регионе, создало предпосылки для засухи в средних широтах.
Главный источник нагрева атмосферы Земли — энергия Солнца. Эта энергия распределяется по земной поверхности неравномерно — прежде всего из-за того, что в высоких широтах солнечные лучи падают под более острым углом к поверхности планеты. Поэтому, как всем хорошо известно, на экваторе воздух теплее, а над полюсами холоднее. Разница температур между экваториальной и полярными зонами — основная движущая сила атмосферной циркуляции, ответственной за погоду и климат на планете. Количественно эту разницу можно выразить в виде широтного температурного градиента — величины, показывающей, на сколько градусов меняется средняя температура воздуха при смещении на один градус географической широты.
Чем выше широтный температурный градиент, тем сильнее проявлена атмосферная циркуляция, в которой задействованы воздушные массы не только разной температуры, но и разной влажности. В тропических широтах главными элементами атмосферной циркуляции являются ячейки Хэдли. Воздушные потоки в них поднимаются над экватором, на высоте 10–15 км смещаются к полюсам, в субтропической зоне спускаются к поверхности и возвращаются к экватору. С действием ячеек Хэдли связаны такие явления как пассаты и высотные струйные течения. Конвекция в ячейках Хэдли — главная причина образования облаков, приносящих влагу в субтропические широты. При длительном ослаблении конвекции в ячейках Хэдли в субтропической зоне начинается образование пустынь.
Не менее важна атмосферная конвекция и для умеренной климатической зоны средних широт. Над средними широтами встречаются два восходящих потока — горячий и сухой субтропический встречается с холодным и влажным арктическим. Свою роль вносят и так называемые западные ветры умеренного пояса, которые дуют с запада на восток над средними широтами. Там, где эти ветры встречаются с конвекционными потоками, при достаточно высоком температурном градиенте возникают внетропические циклоны, являющиеся важным источником влаги умеренного пояса.
Согласно новому исследованию, проведенному группой ученых под руководством Брайана Шумана (Bryan N. Shuman) из Университета Вайоминга(США), сегодня, так же как и 11 тысяч лет назад (в голоцене), потепление в Арктике уменьшает разницу температур между тропиками и полюсами (снижает широтный температурный градиент). Это, в свою очередь, приводит к ослаблению атмосферной циркуляции, снижению потока влажного воздуха из Арктики в средние широты и интенсивности циклонов (рис. 2). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Рис. 2. Схема атмосферных циркуляций при высоком (a) и низком (b) широтном температурном градиенте. а — когда в Арктике становится холоднее, усиливаются западные ветры умеренного пояса (westerlies), высотные струйные течения (jets), а также циркуляции в ячейках Хэдли, что приводит к образованию насыщенных влагой воздушных масс над средними широтами и появлению внетропических циклонов. b — когда в Арктике теплеет, все указанные выше процессы ослабевают и, как следствие, сокращается количество осадков в средних широтах. По горизонтали указаны географические широты: от экватора до Северного полюса. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Суть исследования заключалась в количественной оценке влияния изменений широтного температурного градиента на количество атмосферных осадков в средних широтах Северного полушария (в широтном коридоре от 30°С. Ш. до 50°С. Ш.) за последние 10 тыс. лет. При этом оценивалось так называемое чистое количество осадков (net precipitation — объем выпадающих атмосферных осадков за вычетом суммарного испарения), так как именно этот показатель дает представление о том, сколько влаги остается в почве и может быть использовано растениями.
Для подобной оценки авторами исследования была проведена компиляция всех возможных индикаторов эволюции температурного градиента в Северном полушарии в целом (от 10°Ю. Ш. до 90°С. Ш.) и влажности в его средних широтах (от 30°С. Ш. до 50°С. Ш.) за последние 10 тыс. лет (рис. 3).
Рис. 3. Места забора и распределение по времени проб, использованных для расчетов температурного градиента (а) и влажности (b) за последние 10 тыс. лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
В качестве индикаторов палеотемпературы и влажности использовались: изотопные отношения в минералах, ископаемых раковинах фораминифер и панцирях диатомей (использовались показатели
15N/
40Ar, δ
13С, δ
18О, δD); специфические органические соединения GDGT (glycerol dialkyl glycerol tetraethers) в археяхThaumarchaeota(так называемый палеотермометр TEX
86 и др.), алкеноны в ископаемых представителях фитопланктона класса Prymnesiophyceae (индекс
UK′37), индекс LDI (индекс длинноцепочечных гликолей — long-chain diol index) и др.; химические соотношения элементов в раковинах фораминифер и арагоните кораллов (Mg/Ca, Sr/Ca); индекс потери массы при прокаливании (LOI — loss on ignition), указывающий на количество воды и летучих соединений в минералах; содержание в осадочных отложениях торфяной золы; анализ пыльцы; годовые кольца деревьев и другие, в том числе и чисто геологические (стратиграфические) индикаторы. Для последних 2 тысяч лет авторы использовали результаты палеотемпературных реконструкций PAGES2k (PAGES2k Consortium, 2017. A global multiproxy database for temperature reconstructions of the Common Era).
Первичными источниками данных для палеоклиматических индикаторов служили морские, озерные и болотные отложения, ледяные керны, натечные пещерные образования, а также растения (годовые кольца деревьев). Помимо компиляции опубликованных данных, авторы использовали результаты собственных анализов осадочных отложений трех озер в штате Вайоминг. Всего было использовано 236 индикаторов палеотемпературы и 72 индикатора влажности.
Данные по индикаторам сопоставлялись с климатической моделью PMIP3, а также с моделью широтных климатических наблюдений TS4.01 Центра по изучению климата CRU (Climatic Research Unit) при Университете Восточной Англии — одного из ведущих мировых институтов по изучению антропогенного и естественного изменения климата. Модель TS4.01, в частности, показывает, что за счет более активного потепления в Арктике за последнее столетие широтный температурный градиент снизился на 0,02°С/градус широты.
По результатам моделирования были построены климатические кривые для временного интервала, охватывающего последние 10 тыс. лет. Они показывают, что наименьшее значение широтного температурного градиента в Северном полушарии непосредственно после окончания ледниковой эпохи последнего оледенения, полностью завершившейся 8 тыс. лет назад, совпадает по времени с сильнейшей засухой в средних широтах (самый низкий показатель чистого количества осадков, рис. 4).
Рис. 4. Сводные кривые изменения палеоклиматических показателей в Северном полушарии за последние 10 тыс. лет: а–с — широтный температурный градиент, посчитанный тремя различными способами (а — усредненный для 20-градусных широтных зон, в °С/градус широты, b — по всем индикаторам, в °С/градус широты, с — абсолютные значения градиента, разница между температурой в высоких и низких широтах, в °С); черными ромбами показаны значения, полученные из модели PMIP3; d — широтный градиент инсоляции, в Вт/м2 на градус широты; е — чистое количество осадков в средних широтах, в единицах стандартного отклонения. Вертикальной пунктирной линией показано окончание ледниковой эпохи и периода влияния ледникового щита на климат Северного полушария. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Наблюдаемая картина полностью согласуется с гипотезой о том, что низкий температурный градиент между арктическим и экваториальным регионами приводит к уменьшению объемов осадков в средних широтах. Подтверждают это и результаты изучения авторами озер штата Вайоминг, территория которого находится в средних широтах Северного полушария: 10 тыс. лет назад эти озера сильно обмелели, а некоторые полностью пересохли, и на их месте были песчаные дюны. А все восточное побережье Северной Америки, ныне покрытое богатой растительностью, в середине голоцена было таким же сухим и безжизненным, как Великие равнины сегодня.
Геологические, биологические и антропологические данные, относящиеся к периоду климатического оптимума (теплого периода) голоцена, пик которого приходился на 8 тыс. лет назад, говорят о том, что в это время климат в умеренных широтах Северного полушария был намного суше, чем сейчас. Зато во всей тропической зоне (в Северной Африке, Центральной и Восточной Азии, Центральной Америке) он был значительно влажнее. Данное исследование предлагает объяснение причин таких климатических сдвигов.
Сейчас потепление в северных высоких широтах идет темпами, вдвое превышающими средние мировые. По оценкам авторов, это в ближайшее время может привести к быстрому снижению значений широтного температурного градиента в Северном полушарии до величин, сопоставимых с теми, которые были в раннем и среднем голоцене. А это ставит под угрозу обеспеченность регионов средних широт влагой и водными ресурсами. При этом главным драйвером потепления Арктики в наше время является не рост инсоляции (как это было в голоцене), а увеличение содержания парниковых газов в атмосфере.
Источник: Cody C. Routson, Nicholas P. McKay, Darrell S. Kaufman, Michael P. Erb, Hugues Goosse, Bryan N. Shuman, Jessica R. Rodysill, Toby Ault. Mid-latitude net precipitation decreased with Arctic warming during the Holocene // Nature. 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1060-3.
