Ледяные керны и изменение климата

Ледяные керны представляют собой цилиндры льда, высверленные из ледяного щита или ледника. Большинство записей ледяных кернов поступает из Антарктиды и Гренландии, а самые длинные ледяные керны простираются на глубину до 3 км. Самые старые на сегодняшний день записи непрерывных ледяных кернов охватывают 123 000 лет в Гренландии и 800 000 лет в Антарктиде. Ледяные керны содержат информацию о температуре в прошлом и о многих других аспектах окружающей среды. Важно отметить, что лед заключает в себе небольшие пузырьки воздуха, которые содержат образец атмосферы — по ним можно напрямую измерить прошлую концентрацию атмосферных газов, включая основные парниковые газы: углекислый газ, метан и закись азота.

Парниковые газы и недавнее прошлое

Прямые и непрерывные измерения углекислого газа (CO₂) в атмосфере распространяются только на 1950-е годы. Измерения ледяного керна позволяют нам вернуться в прошлое. В антарктических кернах с очень высокой скоростью выпадения снега можно было измерить концентрации в воздухе еще с 1980-х годов, который уже заключен в пузырьки во льду. Сравнение с измерениями, сделанными непосредственно из атмосферы на исследовательских станциях в Антарктиде, показывает, что ледяной керн действует как точный регистратор атмосферных концентраций (см. рис. 1), хотя мы должны быть осторожны, так как небольшие артефакты могут возникать в местах с высокой температурой. концентрации других примесей.

Статья в тему: Как солнечная корональная дыра повлияет на глобальное потепление?

Антарктические ледяные керны показывают нам, что концентрация CO₂ был стабильным в течение последнего тысячелетия до начала 19 века. Затем он начал расти, и сейчас его концентрация почти на 50% выше, чем до промышленной революции (рис. 2).Другие измерения, которые могут определить источник этого CO.₂ (например, изотопные данные) подтверждают, что увеличение должно быть связано с выбросами от использования ископаемого топлива и антропогенными изменениями растительности и почв. Измерения более старых ледяных кернов (обсуждаемые ниже) подтверждают, что как величина, так и скорость недавнего увеличения почти наверняка являются беспрецедентными за последние 800 000 лет (рис. 2). Самый быстрый естественный прирост, измеренный в более старых ледяных кернах, составляет около 15 частей на миллион (частей на миллион) в течение примерно 200 лет. Для сравнения, атмосферный CO₂ в настоящее время повышается на 15 частей на миллион каждые 6 лет. Метан (СН₄), еще один важный парниковый газ, также показывает беспрецедентное увеличение концентрации за последние два столетия. Сейчас его концентрация более чем вдвое превышает доиндустриальный уровень. Это в основном связано с выбросами от сельскохозяйственных источников и производства ископаемого топлива, которые идут помимо естественных выбросов от водно-болотных угодий и других источников.

Естественные изменения климата: ледниково-межледниковые циклы

Измеряя соотношение различных изотопов воды в кернах полярного льда, мы можем определить, как изменялась температура в Антарктиде и Гренландии в прошлом. Самый старый непрерывный ледяной керн, который у нас есть, был пробурен в рамках Европейского проекта по бурению ледяных кернов в Антарктиде (EPICA) из купола С на Антарктическом плато (рис. 3). Он простирается на 800 000 лет назад и показывает последовательность длинных холодных «ледниковых» периодов, перемежающихся примерно каждые 100 000 лет теплыми «межледниковыми» периодами (из которых последние 11 000 лет являются самыми последними). Эта последовательность событий хорошо известна из других записей, а самые холодные периоды в Антарктиде — это времена, когда у нас были ледниковые периоды. Ледяные щиты простирались над Северной Америкой так далеко на юг, как Чикаго и Нью-Йорк, и над Британией к югу от Уоша.

Статья в тему: Насколько важны астероиды в вашей карте?

Роль парниковых газов в ледниково-межледниковых циклах

С воздуха в нашем старейшем антарктическом ледяном керне мы можем видеть, что CO₂ менялся удивительно похоже на антарктический климат, с низкими концентрациями в холодные периоды и высокими концентрациями в теплые периоды (см. рис. 3). Это полностью согласуется с идеей о том, что температура и CO₂ тесно связаны, и каждый действует, чтобы усилить изменения в другом (что мы называем положительной обратной связью). Считается, что потепление во время ледниковых периодов обусловлено изменениями орбиты Земли вокруг Солнца, но эти небольшие изменения климата усиливаются, в основном за счет увеличения содержания CO.₂, а также отступлением морского льда и ледяных щитов (что приводит к меньшему отражению солнечного света).

Мы можем видеть, насколько близко антарктическая температура и CO₂ отслеживали друг друга, но как насчет глобальной температуры? Здесь мы можем исследовать последний раз, когда Земля вышла из ледникового периода. Ученые собрали другие геологические записи температуры со всего мира, чтобы рассчитать среднюю глобальную температуру. В этом глобальном масштабе CO₂ начинает расти до температуры (см. рис. 4) (Шакун / Осман), поэтому говорят, что температура «отстает» от CO₂. Это свидетельствует о том, что СО₂ было не только ответной реакцией на естественное изменение климата, но и главным фактором, изгнавшим Землю из последнего ледникового периода.

В нашу современную эпоху, конечно, это выбросы углекислого газа человеком.₂ которые, как ожидается, запустят последовательность событий. Мы не видим примеров значительного увеличения содержания CO в ледяных кернах.₂ что не сопровождалось повышением температуры. Концентрация метана также отслеживает ледниково-межледниковые изменения, вероятно, потому, что в более холодные и засушливые ледниковые периоды было меньше водно-болотных угодий.

Статья в тему: Сколько людей умирает от глобального потепления в день

Резкое изменение климата

Описанные выше климатические изменения были огромными, но относительно постепенными. Однако ледяные керны предоставили нам доказательства того, что резкие изменения также возможны. Во время последнего ледникового периода Гренландия испытала серию очень быстрых потеплений (см. рис. 5). За несколько десятилетий температура повысилась более чем на 10°C.Другие записи показывают нам, что серьезные изменения в атмосферной циркуляции и климате произошли по всему северному полушарию. В Антарктиде и Южном океане наблюдалась иная картина, согласующаяся с идеей о том, что эти быстрые скачки были вызваны внезапными изменениями переноса тепла в океане. В это время над северной частью Северной Америки находился огромный ледяной щит (Лаурентида). Вероятнее всего, пресная вода, доставляемая с ледникового щита в Северную Атлантику, периодически нарушала опрокидывание океана, в результате чего перенос тропического тепла на север уменьшался, а затем внезапно снова возрастал. Хотя этот механизм маловероятен в современном мире, он показывает нам, что климат, по крайней мере на региональном уровне, способен к экстраординарным изменениям в течение жизни человека — быстрым изменениям, которых мы, безусловно, хотим избежать.

Резюме

Ледяные керны дают прямую информацию о том, как в прошлом менялись концентрации парниковых газов, а также прямое свидетельство того, что при некоторых обстоятельствах климат может резко измениться. Однако они не дают прямого аналога для будущего, поскольку в эпоху ледяных кернов нет периодов с концентрациями CO.₂ сравнимо с тем, что было в следующем столетии.

Статья в тему: Какие ученые ответственны за открытие глобального потепления

Файл фактов

Ледяное ядро. Цилиндр льда, высверленный из ледяного щита или ледника. Большинство записей о ледяных кернах происходят из Антарктиды и Гренландии.
Ледяные керны содержат информацию о температуре в прошлом и о многих других аспектах окружающей среды.
Уровень углекислого газа в атмосфере сейчас на 50% выше, чем до промышленной революции. Это увеличение связано с использованием ископаемого топлива и изменениями в землепользовании.
Величина и скорость недавнего увеличения почти наверняка беспрецедентны за последние 800 000 лет.
Метан также показывает огромное и беспрецедентное увеличение концентрации за последние два столетия.

использованная литература

Люти Д., Ле Флох М., Берейтер Б. и другие. Рекорд концентрации углекислого газа с высоким разрешением за 650 000–800 000 лет до настоящего времени. Природа 453, 379–382 (2008). https://doi.org/10.1038/nature06949

Осман, М.Б., Тирни, Дж.Э., Чжу, Дж. и другие. Глобально разрешенные температуры поверхности с момента последнего ледникового максимума. Природа 599, 239–244 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03984-4

Маркотт С., Бауска Т., Бьюзерт К. и другие. Столетние изменения глобального углеродного цикла во время последней дегляциации. Природа 514, 616–619 (2014). https://doi.org/10.1038/nature13799

Данные о парниковых газах NOAA: Dlugokencky, E.J., J.W. Мунд, А.М. Кротвелл, М.Дж. Кротвелл и К.В. Тонинг (2021 г.), Мольные фракции двуокиси углерода в атмосфере в сухом воздухе из Глобальной сети отбора проб воздуха NOAA GML Cooperative Carbon Cycle, 1968–2020 гг., Версия: 30 июля 2021 г., https://doi.org/10.15138/wkgj-f215

Статья в тему: Неэтичное исследование: как создать злонамеренный искусственный интеллект

Участники проекта «Ледяной керн Северной Гренландии». Запись с высоким разрешением климата Северного полушария, простирающаяся до последнего межледникового периода. Природа 431, 147–151 (2004). https://doi.org/10.1038/nature02805

Парренин, Ф. и другие. Синхронное изменение атмосферного CO₂ и антарктическая температура во время последнего деледникового потепления. Наука 339, 1060–1063 (2013).

Пети Дж., Жузель Дж., Рейно Д. и другие. История климата и атмосферы за последние 420 000 лет из ледяного керна Восток, Антарктида. Природа 399, 429–436 (1999). https://doi.org/10.1038/20859

Рубино, М. и другие. Пересмотренные записи атмосферных следовых газов CO₂, CH₄, Н₂O и δ 13 C-CO₂ за последние 2000 лет из Лоу Доум, Антарктида. Земля Сист. науч. Данные 11, 473–492 (2019).

Шакун Дж., Кларк П., Хе Ф. и другие. Глобальному потеплению предшествовало увеличение концентрации углекислого газа во время последней дегляциации. Природа 484, 49–54 (2012). https://doi.org/10.1038/nature10915

WAIS разделяет участников проекта. Точная межполярная фазировка резкого изменения климата во время последнего ледникового периода. Природа 520, 661–665 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14401