Климат на Земле изменялся во все времена, в том числе задолго до того, как свою роль в этом начала играть деятельность человека. Достигнут большой прогресс в понимании причин и механизмов этих изменений. Изменения в радиационном балансе Земли были основным фактором изменений климата в прошлом, но причины таких изменений разные. Для каждого случая – будь то ледниковые периоды, потепление во времена динозавров, колебания в прошлом тысячелетии – конкретные причины необходимо устанавливать отдельно. Во многих случаях это сейчас можно сделать с большой долей уверенности, а многие прошлые изменения климата можно воспроизвести с помощью количественных моделей.
Глобальный климат определяется радиационным балансом планеты (см. ЧЗВ 1.1). Есть три основных способа возможного изменения радиационного баланса Земли с последующим изменением климата: 1) путем изменения поступающего солнечного излучения (например, изменением в орбите Земли или самого Солнца), 2) путем изменения доли солнечного излучения, которое отражается (эта доля называется альбедо – ее можно изменить, например, путем изменения облачного покрова, мелких частиц (аэрозолей) или земной поверхности), 3) путем изменения длинноволновой энергии, излучаемой обратно в космос (например, за счет изменения концентраций парниковых газов). Кроме того, местный климат зависит и от того, как тепло распределяется ветрами и океанскими течениями. Все эти факторы играли роль в изменениях климата в прошлом.
Начиная с ледниковых периодов, которые приходили и уходили регулярными циклами в последние почти три миллиона лет, имеется убедительное доказательство того, что они связаны с регулярными изменениями в орбите вращения Земли вокруг Солнца, так называемыми циклами Миланковича (рис. 1). Эти циклы изменяют количество солнечной радиации, получаемой на каждой широте в каждое время года (но вряд ли влияют на глобальное среднегодовое значение), и их можно рассчитать с астрономической точностью. Все еще ведутся дискуссии о том, насколько точно это соответствует началу и окончанию ледниковых периодов, однако во многих исследованиях говорится, что количество солнечного света летом на северных континентах играет решающую роль: если оно падает ниже критического уровня, то снег с прошедшей зимы летом не тает, и ледовый щит начинает расти по мере накопления все новых и новых снежных масс. Моделирование климата подтверждает, что ледниковый период действительно может начаться таким образом, а с помощью простых концептуальных моделей сделаны, на основании орбитальных изменений, успешные «ретроспективные прогнозы» начала прошлых оледенений. Следующее большое снижение летней инсоляции на севере, аналогичное тому, что началось после ледниковых периодов,
Атмосферный углекислый газ (CO2) тоже играет важную роль в ледниковых периодах, хоть и не является их главной причиной. Данные кернов антарктического льда показывают, что концентрация CO2 в холодные ледниковые времена низкая (~190 ppm), а в теплое межледниковье - высокая (~280 ppm); содержание CO2 в атмосфере следует за температурными изменениями в Антарктиде с запаздыванием на несколько столетий. Поскольку изменения климата в начале и конце ледниковых периодов занимают несколько тысяч лет, то на большинство этих изменений влияет положительная связь по CO2; т.е. небольшое начальное охлаждение из-за циклов Миланковича затем усиливается по мере падения концентрации CO2. Моделирование климата ледникового периода (см. раздел 6.4.1) дает реалистичные результаты только при условии учета роли углекислого газа.
В последнем ледниковом периоде произошло более 20 резких и значительных климатических сдвигов, которые особенно заметны в данных по северной Атлантике (см. раздел 6.4). Они отличаются от ледниково-межледниковых циклов тем, что, вероятно, не предполагают значительных изменений в глобальной средней температуре: изменения в Гренландии и Антарктиде идут не синхронно, а в южной и северной частях Атлантики вообще идут в противоположном направлении. Это значит, что никакого существенного изменения в глобальном радиационном балансе для таких сдвигов не потребовалось бы; достаточно было бы перераспределения тепла внутри климатической системы. Есть действительно веское доказательство того, что изменения в океанической циркуляции и переносе тепла могут объяснить многие особенности этих внезапных явлений; данные исследования осадочных пород и моделирования показывают, что некоторых из этих изменений могли быть инициированы нестабильностями в ледовых щитах, окружавших в то время Атлантику, и соответствующим выбросом пресной воды в океан.
В истории климата встречались и гораздо более теплые времена – на протяжении большинства из прошлых 500 млн. лет на Земле, вероятно, вообще не было ледовых щитов (геологи могут установить это по отметкам, которые лед оставляет на породе), в отличие от сегодняшнего дня, когда Гренландия и Антарктида покрыты льдами. Данные о содержании парниковых газов, которые больше миллиона лет, т.е. которые относятся к периоду вне пределов досягаемости антарктических ледовых кернов, все равно довольно неопределенные однако анализ геологических образцов показывает, что теплые безледные периоды совпадают с периодами высокого содержания CO2 в атмосфере. Если смотреть по шкале с разрешением в миллионы лет, то уровни CO2 меняются из-за тектонической активности, что влияет на скорость обмена углекислым газом между океаном и атмосферой, с одной стороны, и твердой землей, с другой стороны. Подробнее о климате в древние времена см. врезку 6.1.
Еще одна вероятная причина климатических изменений в прошлом – изменения количества энергии, выделяемой Солнцем. Измерения за последние десятилетия показывают, что поток энергии Солнца в 11-летнем цикле слегка изменяется (приблизительно на 0,1%). Наблюдения за пятнами на Солнце (датируемые еще XVII столетием), а также данные об изотопах, генерируемых космическим излучением, дают доказательства более долговременных изменений солнечной активности. Сопоставление данных и моделирование показывают, что колебания солнечной и вулканической активности, вероятно, являлись главными причинами климатических колебаний в прошлом тысячелетии, до начала индустриальной эпохи.
Эти примеры служат иллюстрацией того, что разные изменения климата в прошлом были вызваны разными причинами. Тот факт, что естественные факторы вызывали изменения климата в прошлом, не означает, что нынешнее изменение климата является естественным. Аналогичным образом, то, что лесные пожары с давних пор вызываются естественными причинами, например, ударами молний, не означает, что пожары не могут быть вызваны беспечностью туристов. В ЧЗВ 2.1 рассматривается вопрос о том, насколько отличается вклад деятельности человека в последние изменения климата по сравнению с естественными воздействиями.