TS.3.5 Анализ палеоклиматических данных
В палеоклиматических исследованиях используются измерения минувших изменений, выведенные из температуры в скважинах, изменений во внутрипоровой воде океанских отложений, изменений в площади ледников, а также косвенные измерения, охватывающие изменения химических, физических и биологических параметров, которые отражают минувшие изменения в среде, в которой источник косвенных измерений рос или существовал. Палеоклиматические исследования базируются на множестве косвенных источников, чтобы осуществлять перекрестную проверку результатов и лучше понимать неопределенности. Сейчас уже признано и проверено, что многие биологические организмы (например, деревья, кораллы, планктон, животные) меняют динамику своего роста и (или) популяции в ответ на изменения климата, и что эти вызванные климатом изменения хорошо отражены в минувшем росте живых и мертвых (ископаемых) образцов или семейств организмов. Системы хронологий, основанные на ширине и плотности годичных колец деревьев, используются для получения выводов о минувших изменениях температуры путем сличения с инструментальными данными за эти же периоды. Хотя эти методы хорошо используются, есть сомнения в отношении распределений имеющихся измерений, того, как они охватывают земной шар, и таких вопросов, как степень пространственных или сезонных погрешностей, которые дают эти методы, либо очевидное расхождение во взаимосвязи с недавними изменениями климата.{6.2}
Весьма вероятно, что средние температуры в северном полушарии во второй половине ХХ века были выше, чем в любой другой 50-летний период за последние 500 лет и, вероятно, были самыми высокими минимум за последние 1300 лет. Данных, подтверждающих эти выводы, больше всего для летнего периода и внетропических районов суши (особенно за длительный период; см. рис. TS.20). Эти выводы основаны на косвенных данных (таких как ширина и плотность годичных колец деревьев, изотопный состав различных элементов льда, химический состав полосы роста в кораллах), которые требуют анализа для получения информации о температуре и соответствующих неопределенностей. Среди основных неопределенностей – то, что температуру и осадки в некоторых случаях трудно разделить либо они являются репрезентативными для конкретных времен года, а не для целых лет. Сейчас есть более качественные и расширенные данные, чем при подготовке ТДО, включая, например, измерения в большем количестве пунктов, улучшенный анализ данных о температуре в скважинах, более обширный анализ ледников, кораллов и отложений. Вместе с тем, палеоклиматические данные более ограничены, чем инструментальные данные с 1850 года, как во времени, так и в пространстве, поэтому для построения глобальных средних величин используются статистические методы, и полученные величины также отличаются неопределенностью. Имеющиеся данные наблюдений слишком ограничены для того, чтобы можно было аналогичным образом оценить температуры в южном полушарии до начала периода инструментальных наблюдений. {6.6, 6.7}
Некоторые исследования, проведенные после ТДО, демонстрируют более высокую многовековую изменчивость в северном полушарии, чем та, что была указана в ТДО, из-за конкретных использованных косвенных источников и особых статистических методов их обработки и (или) масштабирования для воссоздания температур за прошлые периоды. Дополнительная изменчивость подразумевает более холодные условия, в основном в XXII-XIV, XVII и XIX столетиях; эти условия, вероятно, связаны с естественными воздействиями вследствие извержений вулканов и (или) солнечной активности. Например, реконструкции показывают сниженную солнечную активность и повышенную вулканическую активность в XVII веке по сравнению с нынешними условиями. Одна из реконструкций дала несколько более теплые условия в XI веке, нежели указанные в ТДО, однако в пределах тех неопределенностей, которые были отмечены в ТДО. {6.6}
Данные о содержании углекислого газа в кернах льда за последнее тысячелетие накладывают дополнительное ограничение на естественную изменчивость климата. Амплитуды доиндустриальных, десятилетних изменений температуры в северном полушарии, полученные по реконструкциям на основе косвенных источников (<1°C), в большой степени соответствуют данным о содержании CO2 в кернах льда и пониманию силы обратной связи «углеродный цикл – климат». Содержание CO2 в атмосфере и температура в Антарктиде совместно изменялись за последние 650 тыс. лет. Имеющиеся данные показывают, что CO2 действует как усиливающая обратная связь. {6.4, 6.6}
Изменения в ледниках очевидны в данных за голоцен, однако эти изменения были вызваны иными процессами, нежели отступление льдов в конце ХХ века. Ледники нескольких горных регионов северного полушария отступили в ответ на вызванное орбитальным воздействием региональное потепление в период 5000-11000 тыс. лет назад и до 5000-го года были меньше, чем на конец ХХ века (или даже вообще отсутствовали). Нынешнее почти глобальное отступление горных ледников не может быть обусловлено такими же причинами, потому что уменьшенная летняя инсоляция в северном полушарии за последние несколько тысяч лет должна быть на пользу росту ледников. {6.5}
Палеоклиматические данные предоставляют доказательства изменений климата во многих регионах. Сила и частота событий ЭНСО в прошлом менялась. Есть свидетельства того, что сила азиатского муссона и, следовательно, количество осадков могут резко изменяться. Палеоклиматические данные по северной и восточной Африке и Северной Америке показывают, что периодической особенностью климата в этих регионах является засуха, которая длится от нескольких десятилетий до нескольких столетий, так что последние случаи засухи в Северной Америки и северной части Африки не являются беспрецедентными. Отдельные комплекты палеоклиматических данных с десятилетним разрешением подтверждают существование региональной квазипериодической изменчивости климата, но маловероятно, чтобы эти региональные сигналы были согласованы в глобальном масштабе. {6.5, 6.6}
Убедительные доказательства, вытекающие из данных океанских отложений и моделирования, связывают резкие изменения климата за последний ледниковый период и переход от ледникового периода к межледниковью с изменениями в циркуляции Атлантического океана. Нынешнее понимание предполагает, что океанская циркуляция может быть нестабильной и быстро меняться при превышении критических порогов. Эти события повлияли на температуру в Гренландии, которая повысилась в некоторых случаях до 16°C, а также на характер тропических ливней. Они были связаны, возможно, с перераспределением тепла между северным и южным полушариями, а не со значительными изменениями глобальной средней температуры. Такие события не наблюдались за последние 8000 лет. {6.4}
Уверенность в понимании минувших изменений климата и изменений орбитального воздействия укрепляется улучшенной способностью нынешних моделей воспроизводить климатические условия прошлого. Последний ледниковый максимум (ПЛМ; последний «ледниковый период» около 21 тыс. лет назад) и средний голоцен (6000 тыс. лет назад) отличались от нынешнего климата не только из-за случайной изменчивости, но и из-за измененного сезонного и глобального воздействия, связанного с известными различиями в орбите Земли (см. вставку TS.6). Биогеохимические и биогеофизические обратные связи усилили реакцию на орбитальные воздействия. Сравнения между моделированными и реконструированными условиями в ПЛМ демонстрируют, что модели учитывают широкие особенности предполагаемых изменений в динамике температуры и осадков. Для среднего голоцена сопряженные модели климата могут имитировать среднеширотное потепление и усиление муссонов при незначительных изменениях средней температуры (<0,4°C), соответствующее нашему пониманию орбитального воздействия. {6.2, 6.4, 6.5, 9.3}
Вставка TS.6. Орбитальное воздействие
Из астрономических расчетов хорошо известно, что периодические изменения в характеристиках орбиты вращения Земли вокруг Солнца определяют сезонное и широтное распределение поступающей солнечной радиации в верхних слоях атмосферы (здесь и далее называемое «инсоляцией»). Минувшие и будущие изменения в инсоляции можно рассчитать на несколько миллионов лет с высокой степенью уверенности. {6.4}
Прецессией называют изменения во времени года, когда Земля находится ближе всего к Солнцу, с квазипериодичностью около 19-23 тыс. лет. В результате изменения в положении и продолжительности времен года на орбите сильно изменяют широтное и сезонное распределение инсоляции. Сезонные изменения в инсоляции намного значительнее, чем среднегодовые, и могут достигать 60 Вт/м2 (вставка TS.6, рис.1).
Наклонение (наклон) оси Земли колеблется приблизительно между 22° и 24,5° с двумя соседними квазипериодичностями около 41 тыс. лет. Изменения в наклонении моделируют сезонные контрасты, а также среднегодовые изменения в инсоляции с противоположными эффектами в низких широтах по сравнению с высокими (поэтому никакого эффекта на глобальную среднюю инсоляцию нет) {6.4}.
Эксцентриситет орбиты вращения Земли вокруг Солнца имеет более длительные квазипериодичности – 400 тыс. лет и около 100 тыс. лет. Изменения в эксцентриситете сами по себе ограничили влияние на инсоляцию, вследствие результирующих очень малых изменений в расстоянии между Солнцем и Землей, однако изменения в эксцентриситете взаимодействуют с сезонными эффектами, вызванными наклонением и предварением равноденствий.
В периоды низкого эксцентриситета, такие как около 400 тыс. лет назад и в течение следующих 100 тыс. лет, сезонные изменения инсоляции, вызванные прецессией, не настолько велики, как в периоды большего эксцентриситета (вставка TS.6, рис. 1). {6.4}
Теория Миланковича, или «орбитальная» теория ледниковых периодов, сейчас хорошо разработана. Ледниковые периоды инициируются, как правило, минимумами в высокоширотной летней инсоляции в северном полушарии, что позволяет выпавшему зимой снегу сохраняться весь год и, накапливаясь, превращаться в ледниковые щиты северного полушария. Аналогичным образом, считается, что времена с особо интенсивной высокоширотной летней инсоляцией в северном полушарии, определяемой изменением орбиты, вызывают быструю дегляциацию, соответствующее изменение климата и повышение уровня моря. Эти орбитальные воздействия определяют темпы климатических изменений, тогда как крупномасштабные реакции, как представляется, определяются сильными процессами обратной связи, которые усиливают орбитальное воздействие. В многотысячелетних временных масштабах орбитальное воздействие также оказывает существенное влияние на основные климатические системы, такие как основные муссоны Земли, глобальная океаническая циркуляция и содержание парниковых газов в атмосфере. {6.4}
Имеющиеся доказательства говорят о том, что нынешнее потепление не будет смягчено тенденцией естественного похолодания в направлении ледниковых условий. Понимание реакции Земли на орбитальное воздействие показывает, что естественным путем Земля не войдет в новый ледниковый период в течение минимум 30 тыс. лет. {6.4, ЧЗВ 6.1}
Глобальный средний уровень моря был, вероятно, на 4-6 и более метров выше в последний межледниковый период, около 125 тыс. лет назад, в основном благодаря отступлению полярного льда (рис. TS.21). Данные кернов льда показывают также, что средние полярные температуры в то время были на 3°C - 5°C выше, чем в ХХ веке, из-за различий в орбите Земли. На долю Гренландского ледового щита и других арктических ледяных полей пришлось, вероятно, не более 4 м из общего наблюдаемого повышения уровня моря, что означает, что, возможно, свой вклад внесла и Антарктида.{6.4}