Климат Земли менялся на протяжении веков под воздействием этих 10 различных факторов. Вот как каждая из них соотносится с современными изменениями климата. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Орбитальные колебания, тектоника плит, эволюционные изменения и другие факторы заставляли планету вступать в ледниковые периоды и выходить из них.
Введение
В прошлом Земля была и снежным комом, и теплицей. Если климат изменился до появления человека, как мы можем быть уверены, что ответственны за резкое потепление, которое происходит сегодня?
Отчасти это связано с тем, что мы можем наглядно продемонстрировать причинно-следственную связь между выбросами углекислого газа в результате деятельности человека и повышением глобальной температуры на 1,28 градуса Цельсия (и продолжающимся повышением) с доиндустриальной эпохи. Молекулы углекислого газа поглощают инфракрасное излучение, поэтому, чем больше их в атмосфере, тем больше они удерживают тепла, излучаемого поверхностью планеты.
Но палеоклиматологи также добились значительных успехов в понимании процессов, которые приводили к изменению климата Земли в прошлом. Вот краткий обзор десяти способов естественного изменения климата и сравнение каждого из них с тем, что происходит сейчас.
Солнечные циклы
Величина : охлаждение от 0,1 до 0,3 градуса Цельсия
Временные рамки : спады солнечной активности длительностью от 30 до 160 лет, разделенные столетиями.
Каждые 11 лет магнитное поле Солнца меняет полярность, обуславливая 11-летний цикл увеличения и уменьшения яркости Солнца. Однако эти изменения незначительны и оказывают незначительное влияние на климат Земли.
Более значимыми являются «великие солнечные минимумы» – многолетние периоды снижения солнечной активности, которые случались 25 раз за последние 11 000 лет. Недавний пример – минимум Маундера, произошедший между 1645 и 1715 годами, когда уровень солнечной энергии упал на 0,04–0,08% от современного среднего значения. Ученые долгое время считали, что минимум Маундера мог стать причиной «малого ледникового периода» – похолодания с XV по XIX век. Однако впоследствии они доказали, что он был слишком мал и произошёл в неподходящее время, чтобы объяснить похолодание, которое, вероятно, было связано с вулканической активностью.
За последние полвека яркость Солнца немного снизилась, а Земля нагревается, поэтому в глобальном потеплении нельзя винить Солнце.
Вулканическая сера
Величина : примерно от 0,6 до 2 градусов Цельсия охлаждения.
Временные рамки : от 1 до 20 лет
В 539 или 540 году нашей эры вулкан Илопанго в Сальвадоре взорвался с такой силой, что выбросы достигли стратосферы. Холодное лето, засуха, голод и чума опустошили общества по всему миру.
Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году привело к выбросу серы в стратосферу, которая затенила и охладила планету примерно на 15 месяцев.
Извержения, подобные Илопанго, выбрасывают в стратосферу отражающие капли серной кислоты, которые экранируют солнечный свет, охлаждая климат. В результате морской лед может увеличиваться, отражая больше солнечного света обратно в космос и тем самым усиливая и продлевая глобальное похолодание.
Извержение Илопанго вызвало падение температуры примерно на 2 градуса Цельсия, которое продолжалось 20 лет. Совсем недавно, в 1991 году, извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах привело к охлаждению глобального климата на 0,6 градуса Цельсия на 15 месяцев.
Вулканическая сера в стратосфере может оказывать разрушительное воздействие, но в масштабах истории Земли это явление незначительное и временное.
Краткосрочные климатические колебания
Величина : до 0,15 градуса Цельсия
Сроки : от 2 до 7 лет
Помимо сезонных погодных условий, существуют и другие краткосрочные циклы, влияющие на количество осадков и температуру. Наиболее значимый из них, Эль-Ниньо/Южное колебание, связан с изменениями циркуляции в тропической части Тихого океана в течение периода от двух до семи лет, которые существенно влияют на количество осадков в Северной Америке. Североатлантическое колебание и Индоокеанский диполь также оказывают сильное региональное влияние. Оба они взаимодействуют с Эль-Ниньо/Южным колебанием.
Взаимосвязь между этими циклами раньше затрудняла доказательство антропогенной значимости изменения климата, а не просто очередного всплеска естественной изменчивости. Однако с тех пор антропогенное изменение климата вышло далеко за рамки естественной изменчивости погоды и сезонных температур. Национальная оценка климата США в 2017 году пришла к выводу, что «в данных наблюдений нет убедительных доказательств существования естественных циклов, которые могли бы объяснить наблюдаемые изменения климата».
Орбитальные колебания
Магнитуда : около 6 градусов Цельсия за последний 100 000-летний цикл; меняется в течение геологического времени.
Временные рамки : регулярные, перекрывающиеся циклы продолжительностью 23 000, 41 000, 100 000, 405 000 и 2 400 000 лет.
Орбита Земли колеблется, поскольку Солнце, Луна и другие планеты меняют своё относительное положение. Эти циклические колебания, называемые циклами Миланковича, приводят к изменению количества солнечного света в средних широтах до 25% и вызывают колебания климата. Эти циклы наблюдались на протяжении всей истории, приводя к образованию чередующихся слоёв осадочных пород, которые можно увидеть на скалах и в выбоинах дорог.
В эпоху плейстоцена, завершившуюся около 11 700 лет назад, циклы Миланковича приводили планету к ледниковым периодам. Когда орбита Земли делала лето в северных широтах теплее обычного, обширные ледяные щиты в Северной Америке, Европе и Азии таяли; когда же лето в северных широтах становилось холоднее, эти ледяные щиты снова росли. Поскольку более тёплые океаны растворяли меньше углекислого газа, уровень углекислого газа в атмосфере рос и падал в соответствии с этими орбитальными колебаниями, усиливая их влияние.
Сегодня Земля приближается к очередному минимуму северного солнечного света, поэтому без выбросов углекислого газа человеком мы бы вступили в новый ледниковый период примерно в течение следующих 1500 лет.
Три вида колебания: Земля претерпевает циклические изменения формы своей орбиты, известные как эксцентриситет (вверху); изменения направления оси вращения, известные как прецессия (посередине); и изменения угла наклона оси вращения по отношению к плоскости орбиты, известные как наклон осью земной оси (внизу).
Слабое Молодое Солнце
Величина : нет чистого температурного эффекта
Временные рамки : Постоянные
Хотя яркость Солнца колеблется в более коротких временных масштабах, в целом оно становится ярче на 0,009% за миллион лет, а с момента зарождения Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад его яркость увеличилась на 48%.
Ученые полагают, что из-за слабости молодого Солнца Земля должна была оставаться замороженной в течение первой половины своего существования. Но, как ни парадоксально, геологи обнаружили породы возрастом 3,4 миллиарда лет, образовавшиеся в воде, взбаламученной волнами. Неожиданно теплый ранний климат Земли, вероятно, объясняется сочетанием меньшей эрозии почвы, более ясного неба, более короткого дня и особого состава атмосферы до того, как на Земле появилась богатая кислородом атмосфера.
Мягкие условия во второй половине существования Земли, несмотря на яркое солнце, не создают парадокса: терморегулятор Земли противодействует воздействию дополнительного солнечного света, стабилизируя температуру Земли (см. следующий раздел).
Углекислый газ и термостат выветривания
Величина : Противодействует другим изменениям
Временные рамки : 100 000 лет или дольше
Основным регулятором климата Земли на протяжении многих веков был уровень углекислого газа в атмосфере, поскольку углекислый газ является долговременным парниковым газом, который блокирует тепло, пытающееся подняться с планеты.
Вулканы, метаморфические породы и окисление углерода в эродированных отложениях – всё это выбрасывает углекислый газ в атмосферу, в то время как химические реакции с силикатными минералами удаляют углекислый газ и захороняют его в виде известняка. Баланс между этими процессами действует как термостат, поскольку при потеплении климата химические реакции становятся более эффективными в удалении углекислого газа, замедляя потепление. При похолодании климата реакции становятся менее эффективными, что замедляет похолодание. Следовательно, в течение очень долгого времени климат Земли оставался относительно стабильным, обеспечивая пригодную для жизни среду. В частности, средний уровень углекислого газа неуклонно снижался в ответ на повышение яркости Солнца.
Однако термостату выветривания требуются сотни тысяч лет, чтобы отреагировать на изменения концентрации углекислого газа в атмосфере. Океаны Земли могут действовать несколько быстрее, поглощая и удаляя избыток углерода, но даже это занимает тысячелетия и может быть перегружено, что приводит к закислению океана. Каждый год сжигание ископаемого топлива выбрасывает примерно в 100 раз больше углекислого газа, чем вулканы — слишком много и слишком быстро, чтобы океаны и выветривание успевали его нейтрализовать. Именно поэтому наш климат теплеет, а океаны закисляются.
Тектоника плит
Величина : около 30 градусов Цельсия за последние 500 миллионов лет.
Временные рамки : миллионы лет
Перераспределение массивов суши в земной коре может постепенно сместить термостат выветривания в новое положение.
Планета в целом охлаждалась в течение последних 50 миллионов лет или около того, поскольку столкновения тектонических плит выталкивали химически активные породы, такие как базальт и вулканический пепел, в теплые, влажные тропики, увеличивая скорость реакций, которые вытягивают углекислый газ из неба. Кроме того, за последние 20 миллионов лет образование Гималаев, Анд, Альп и других гор более чем удвоило скорость эрозии, усилив выветривание. Другим фактором, способствующим похолоданию, стало отделение Южной Америки и Тасмании от Антарктиды 35,7 миллиона лет назад, что инициировало новое океаническое течение вокруг Антарктиды. Это активизировало циркуляцию океана и планктон, потребляющий углекислый газ; впоследствии ледяные щиты Антарктиды существенно выросли.
Ранее, в юрский и меловой периоды, динозавры бродили по Антарктиде, поскольку повышенная вулканическая активность в отсутствие горных цепей поддерживала уровень углекислого газа около 1000 частей на миллион, по сравнению с современными 415 ppm. Средняя температура в этом мире, свободном ото льда, была на 5–9 градусов Цельсия выше современной, а уровень моря был примерно на 75 метров выше.
Падения астероидов
Магнитуда : примерно 20 градусов Цельсия охлаждения, за которыми последует 5 градусов Цельсия потепления (Чиксулуб)
Временные рамки : столетия похолодания, 100 000 лет потепления (Чиксулуб)
В базе данных о столкновениях с Землей на данный момент зарегистрировано 190 кратеров, подтверждённых в результате столкновения с Землей. Ни один из них не оказал заметного влияния на климат Земли, за исключением падения Чиксулуб, которое 66 миллионов лет назад превратило в пар часть Мексики, уничтожив динозавров. Компьютерное моделирование показывает, что Чиксулуб выбросил в верхние слои атмосферы достаточно пыли и серы, чтобы затемнить солнечный свет и охладить Землю более чем на 20 градусов Цельсия, а также закислить океаны. Планете потребовались столетия, чтобы вернуться к температуре, которая была до столкновения, но затем она потеплела ещё на 5 градусов Цельсия из-за углекислого газа, попавшего в атмосферу из-за испарения мексиканского известняка.
Вопрос о том, каким образом вулканическая активность в Индии примерно в то же время, что и удар, усугубила изменение климата и массовое вымирание, остается спорным.
Эволюционные изменения
Масштаб : Зависит от события; похолодание примерно на 5 градусов Цельсия в конце ордовика (445 миллионов лет назад)
Временные рамки : миллионы лет
Время от времени эволюция новых видов жизни переустанавливала термостат Земли. Например, фотосинтезирующие цианобактерии, возникшие около 3 миллиардов лет назад, начали терраформировать планету, выделяя кислород. По мере их размножения, 2,4 миллиарда лет назад, содержание кислорода в атмосфере возросло, в то время как уровни метана и углекислого газа резко упали. Это погрузило Землю в череду «снежных» климатических изменений на 200 миллионов лет. Эволюция океанической жизни, более крупной, чем микробы, инициировала еще одну серию «снежных» климатических изменений 717 миллионов лет назад — в данном случае это произошло потому, что организмы начали выбрасывать детрит в глубины океана, экспортируя углерод из атмосферы в бездну и в конечном итоге погребая его.
Когда примерно 230 миллионов лет спустя, в ордовикский период, появились первые наземные растения, они начали формировать наземную биосферу, накапливая углерод на континентах и извлекая питательные вещества из почвы, которые попадали в океаны, способствуя развитию жизни и там. Эти изменения, вероятно, спровоцировали ледниковый период, начавшийся около 445 миллионов лет назад. Позднее, в девонский период, эволюция деревьев ещё больше снизила концентрацию углекислого газа и температуру, что, в сочетании с горообразованием, привело к наступлению палеозойского ледникового периода.
Крупные магматические провинции
Масштаб : потепление примерно на 3–9 градусов Цельсия.
Временные рамки : сотни тысяч лет
Излияния лавы и подземной магмы в континентальном масштабе, называемые крупными магматическими провинциями, стали причиной многих массовых вымираний на Земле. Эти магматические процессы привели к появлению целого арсенала смертоносных факторов (включая кислотные дожди, кислотный туман, отравление ртутью и разрушение озонового слоя), а также к потеплению планеты за счёт выброса огромного количества метана и углекислого газа в атмосферу быстрее, чем мог справиться термостат выветривания.
Во время события в конце пермского периода 252 миллиона лет назад, уничтожившего 81% морских видов, подземная магма воспламенила сибирский уголь, подняв концентрацию углекислого газа в атмосфере до 8000 частей на миллион и повысив температуру на 5–9 градусов Цельсия. Более слабое палеоцен-эоценовое термическое событие 56 миллионов лет назад привело к нагреванию метана в нефтяных залежах Северной Атлантики и выбросу его в атмосферу, что привело к повышению температуры планеты на 5 градусов Цельсия и повышению кислотности океана. Впоследствии аллигаторы и пальмы процветали на арктических берегах. Аналогичные выбросы ископаемого углерода происходили в конце триаса и начале юры, что привело к глобальному потеплению, образованию мёртвых зон и повышению кислотности океана.
Если что-то из этого покажется вам знакомым, то это потому, что деятельность человека сегодня приводит к тем же последствиям.
Как написала в апреле в журнале Nature Communications группа исследователей, изучающих это событие в конце триаса, «наши оценки показывают, что количество CO2, которое каждый… магматический импульс выбрасывал в атмосферу в конце триаса, сопоставимо с объемом антропогенных выбросов, прогнозируемых на XXI век».
Обновление: 24 июля 2020 г.
В более ранней версии этой статьи была представлена диаграмма концентраций углекислого газа и кислорода в течение длительного времени. Эта диаграмма была основана на одном источнике данных и не отражает наиболее достоверные современные данные. Она была удалена из статьи.
Источник: www.quantamagazine.org
