Виноват ли углекислый газ в окончании последней ледниковой эпохи

О роли парниковых газов в современном потеплении, продолжающемся немногим более столетия, говорят и пишут много. Особенно достается двуокиси углерода, назначенной главным врагом человечества. Но если политики для себя все решили и приняли план борьбы с этим злом, то у многих исследователей климата остаются сомнения. Мы попытались если не разобраться, то хотя бы немного прояснить вопрос.

Современная климатическая ситуация действительно осложнена факторами человеческой жизнедеятельности. Речь не только об углекислом газе, но и о выбросах сульфатных аэрозолей, глобальном изменении характера растительности, сельскохозяйственной деятельности, изменениях гидрологического режима суши и т.д. Разобраться в том, какой вклад вносят эти факторы в климатические изменения, чрезвычайно сложно. Поэтому имеет смысл обратиться к прошлому — к тем счастливым периодам климатической истории, когда значительные изменения происходили заведомо без человеческого участия. Наиболее подходящий период — плейстоцен (2 млн — 11 тыс. лет назад), в течение которого ледниковые эпохи периодически сменялись теплыми межледниковьями. В последнем таком межледниковье, голоцене, мы и живем последние 11 тысяч лет.

Информация о климатических изменениях плейстоцена была получена во многом благодаря изобретению в середине прошлого века "изотопно-кислородного палеотермометра". Он основан на различиях в температурах фазовых переходов (например, лед-вода) тяжелого ??О и легкого ??О изотопов кислорода. Обнаруженные вскоре периодичности в соотношениях изотопов из морских отложений (в первом приближении — глобальной температуры) оказались весьма близки к изменениям инсоляции Земли. Это стало косвенным доказательством того, что ледниковые циклы связаны с вариациями параметров орбиты Земли — эксцентриситета, угла наклона и прецессии земной оси. С другой стороны, содержания двуокиси углерода в пузырьках воздуха, заключенных в антарктических льдах, также менялись почти синхронно с температурой. Можно предположить, что и углекислый газ как-то связан с изменениями климата. Но как? Был ли он главной причиной этих изменений (через механизм парникового эффекта), играл ли подчиненную роль "усилителя" колебаний, обусловленных орбитальными факторами, или вариации содержания СО? лишь отражали температурный режим океана?

Ответить на этот вопрос пытались многие. Самый, казалось бы, очевидный способ — сравнить хронологию событий: кто начал меняться первым, тот и причина, а другой, соответственно, следствие. Так и поступили авторы недавней публикации в Nature. Они сопоставили изменения температуры в различных регионах мира во время окончания последней ледниковой эпохи 22-10 тыс. лет назад с изменениями содержания СО? в антарктических ледовых кернах. Выводы были сделаны следующие: в Антарктике изменения температуры немного (в пределах первых сотен лет) опережали изменения двуокиси углерода, но зато глобальные температуры значительно отставали [рис. 01]. Таким образом, потепление, первоначально возникшее в Антарктике, вызвало увеличение температуры Южного океана, Атлантическая меридиональная циркуляция способствовала распространению теплых вод в Северное полушарие, а высвободившийся из океанов углекислый газ усилил парниковый эффект и довершил начатое глобальное потепление.

Несмотря на кажущуюся очевидность, описанная методика и, следовательно, полученные выводы оставляют некоторую неудовлетворенность. Причина в том, что температурные кривые, представленные на рисунке 01, реконструированы на основе различных и по-разному датированных палеоклиматических свидетельств. Объединение их в общей временной шкале — процедура нетривиальная и во многом субъективная. Но хуже всего дело обстоит с датировкой воздуха, содержащегося в пузырьках ледяного керна. По мере уплотнения снежного покрова эти пузырьки еще долго сохраняют связь с атмосферой, и, следовательно, их содержимое значительно (иногда — на несколько тысяч лет) моложе окружающего льда. На рисунке03 приведены данные об изменениях содержаний СО? в атмосфере из других не менее авторитетных источников. Хорошо видно, насколько велика неопределенность этих оценок.

И, наконец, главное — увеличение содержания двуокиси углерода в атмосфере не приводит непосредственно к увеличению температуры планеты. Вызываемый этим газом парниковый эффект лишь возвращает часть излучаемого Землей в космос теплового потока обратно. Небольшая доля возвращенного потока поглощается Землей, что приводит к повышению температуры земной поверхности. Да и то не сразу — для этого требуется немалое время. Таким образом, сравнивать хронологии температурных кривых и содержаний СО? — занятие ненадежное и не вполне корректное.

Мы предложили иной способ атрибуции климатических изменений рассматриваемого периода. Он основан на реконструкциях температуры земной поверхности и теплового потока через эту поверхность по данным анализа термограмм глубоких скважин.

Понять, как работает метод реконструкции, несложно. Если бы климат Земли не менялся, а вместе с ним сохранялась неизменной и температура земной поверхности, то температуры горных пород равномерно, то есть с постоянным геотермическим градиентом?—?увеличивались бы с глубиной [рис. 02, черная прямая линия]. Колебания температуры поверхности вызывают аномалии, которые, постепенно затухая, медленно распространяются в глубь Земли, нарушая постоянство геотермического градиента. Глубина проникновения аномалии зависит от времени, прошедшего с момента ее появления на поверхности, и от коэффициента температуропроводности пород. Предположим, что единственное климатическое событие — скачок температуры на +10°С — произошло 12 тыс. лет назад. К настоящему времени температурная аномалия (красная кривая) от этого события проникнет на глубину примерно 2?км. Скачок температуры на -5°С 4 тыс. лет назад в настоящем фиксируется аномалией до глубины примерно 1?км (синяя кривая). Если же имели место оба этих события, то распределение температур будет представлять собой их простую сумму (зеленая кривая). Таким образом, анализируя график изменения температуры с глубиной, полученный при измерениях в скважинах, можно реконструировать температурную историю земной поверхности. Но не только температурную. Как видно из приведенного примера, на поверхности меняются также температурный градиент и связанный с ним по закону Фурье тепловой поток. История изменения теплового потока через земную поверхность — еще одна важная и, на наш взгляд, сильно недооцененная характеристика климата. Тепловой поток выражается в тех же величинах, что и предполагаемые факторы климатических изменений (инсоляция, парниковый эффект) — в ваттах на квадратный метр, поэтому их можно сравнивать. Кроме того, изменения теплового потока опережают изменения температуры. Мы наблюдаем это явление ежедневно: максимум солнечного потока очевидно приходится на астрономический полдень, а максимальная температура земной поверхности достигается примерно на три часа позднее. То же самое происходит и в годовом климатическом цикле, и любом другом — с соответствующим увеличением сдвига.

На рисунке 03 приведены реконструкции температурной истории земной поверхности (синие кривые) и истории изменений теплового потока через поверхность (коричневые кривые), полученные в результате анализа данных термометрии Уральской сверхглубокой СГ-4 и Онежской параметрической скважин (расположенных, соответственно, на Среднем Урале и в Карелии). На этом же рисунке показаны и потенциальные причины климатических изменений — среднегодовая инсоляция Земли в Северном полушарии на широте 60° (зеленая кривая) и изменения содержания двуокиси углерода в атмосфере (разноцветные точки). Что сразу бросается в глаза? Существенные различия в форме и хронологии изменения температуры и потока. Если температура земной поверхности, однажды поднявшись, зафиксировалась на новом, более высоком, уровне, то тепловой поток, начавший рост на несколько тысяч лет раньше, примерно 13-11 тыс. лет назад достиг максимума и начал снижаться. В этом изменения потока весьма схожи с изменениями инсоляции. Различия в амплитудах. Колебания солнечного потока достигают 11 Вт/м2, а теплового — не превышают 1% этой величины (0.09-0.13 Вт/м2). Но так и работает климатическая машина Земли — сопротивляясь внешним воздействиям!

Изменения температуры, напротив, значительно ближе к изменениям двуокиси углерода в атмосфере. Судить о том, кто первым начал изменения в этой паре, на существующем уровне неопределенностей практически невозможно. Да и не нужно. Если бы углекислый газ играл сколь-нибудь значимую роль в потеплении, это неизбежно отразилось бы именно на реконструированном потоке. А раз не отразилось, значит, и не было значительного и долговременного потока, обусловленного парниковым эффектом, а рост содержаний СО? лишь отражал потепление океана.

Коль скоро речь идет о климатической системе Земли — то фактически ничего и не сказано. Здесь лишь предложен новый подход к решению проблемы, проиллюстрированный двумя экспериментальными примерами. Конечно, этого мало. Ничего не сказано о роли положительных и отрицательных обратных связей. А без них нельзя понять, каким образом изменения внешнего потока трансформируются в изменения потока через земную поверхность. Непонятно, почему реконструкции потока в Карелии и на Урале оказались похожи. В последнюю ледниковую эпоху район Онежского озера был покрыт Скандинавским ледниковым щитом, а на Урале таких покровов не было. Да и выводы относительно роли двуокиси углерода касаются лишь рассмотренного масштаба событий — десятков тысяч лет. В другой работе автора проанализировано влияние солнечной радиации и содержания СО? в атмосфере на поверхностный тепловой поток последнего тысячелетия (49 реконструкций по скважинам Среднего и Южного Урала). Оказалось, для такого временного масштаба эти факторы по своему влиянию уже сопоставимы.