Палеоклиматология

Большое хранилище кернов.

Палеоклиматология — наука об истории изменений климата Земли. Задача палеоклиматологии — с помощью измерений, анализов и рядов данных из так называемых климатических архивов (прокси-данных) реконструировать климатические условия геологического прошлого (палеоклимат) в виде истории климата и расшифровать механизмы изменений климата в различные геологические эпохи или исторические эпохи. Методологически она всегда была отраслью исторической геологии, но также имеет параллели с современной физически обоснованной климатологией. Будучи междисциплинарной наукой, область применения которой охватывает почти всю историю Земли, палеоклиматология опирается на результаты палеонтологии, палеогеографии, палеоокеанографии и метеорологии и сотрудничает с такими специализированными областями, как химия атмосферы и геофизика. В последние десятилетия все чаще учитываются результаты исследований в области астрономии и астрофизики.

С помощью инструментов палеоклиматологии можно делать все более обоснованные заявления о прошлом и будущем развитии климата Земли. Последнее касается как уже начавшихся изменений, таких как глобальное потепление, так и событий, которые лежат в далеком будущем, например, теоретическое повторения сильного периода похолодания на Земле.

История

Ещё в XVII веке Нильс Стенсен нашел обоснованное объяснение образованию осадочных пород с помощью своего основного стратиграфического закона. Он правильно понял, что разные слои горных пород представляют собой различные этапы истории Земли. Находки окаменелостей в высоких горах, например, морских раковин, служили наглядным доказательством того, что история Земли не была статичной, а характеризовалась глубокими динамическими процессами. В 1686 году английский естествоиспытатель Роберт Гук на основании окаменелостей юрского периода предположил, что в далеком прошлом климат на юге Англии был значительно теплее.

В эпоху Просвещения и с развитием геологии в современную науку, начиная с 1750 года, идея доистории постепенно укрепилась. В конце XVIII века это привело к революционному на тот момент пониманию того, что предыстория Земли должна была охватывать значительно более длительный период, чем исторически задокументированная история человечества. Слои, отложения и окаменелости, проанализированные на основе первых стратиграфических профилей, привели к предположению о длительном процессе осадконакопления и окаменения.

В 1870—1880 годах существование четвертичного ледникового периода было признано перед лицом множества убедительных доказательств. С тех пор последний холодный период — в том числе и в отношении климата — был центральной темой многих геонаучных исследований на протяжении десятилетий. Шведский физик и химик Сванте Аррениус (1859—1927) внес значительный вклад в понимание климатических механизмов в геологические периоды. В своей работе Über den Einfluss von Kohlensäure in der Luft auf die Bodentemperatur (1896) он первым рассчитал точный парниковый эффект углекислого газа, указал на колебания концентрации этого газа во время циклов ледникового периода и предположил грядущее глобальное потепление из-за промышленных выбросов CO2. Работа Аррениуса по этому комплексу тем долго считалась неопределенной и спекулятивной, но в 1950-х годах она с некоторым опозданием получила полное подтверждение.

XX век принес приток новых открытий в геонауки, что также благотворно сказалось на палеоклиматологии, которая теперь имела все более широкую и надежную базу. Пионером палеоклиматологии был метеоролог и полярный исследователь Альфред Вегенер (1880—1930), который, будучи основателем теории дрейфа континентов, принятой только в 1960-х годах, посмертно был признан. В поддержку своего тезиса о том, что нынешнее расположение континентов — лишь геологический снимок, Вегенер собрал большое количество «климатических свидетелей», доказывающих, что крупные массивы суши в более ранние геологические периоды находились далеко от своего нынешнего положения и, вероятно, были частями бывшего первобытного континента Пангеи. Среди прочего, он ссылался на залежи угля в Антарктике, образовавшиеся в условиях теплой эпохи, находки ископаемых субтропических видов деревьев на Шпицбергене и открытие того, что Сахара была частично покрыта ледниками в позднем ордовике.

До второй половины XX века палеоклиматология, как и большинство других геонаук, была преимущественно описательной (дескриптивной) наукой. Для этого она использовала все большее число постоянно совершенствуемых методов датирования и верификации, таких как дендрохронология, которая также часто применяется в исторической климатологии и археологии. Однако для того, чтобы иметь возможность делать обоснованные заявления не только о климатических событиях, но и об их физических причинах и взаимодействии, а также об их значении для современности, сначала необходимо было понять основные факторы климатической системы Земли. Это можно сделать только в рамках широкой междисциплинарной науки, которая в полной мере учитывает все механизмы управления климатом и ведет интенсивный диалог с другими научными дисциплинами. Например, астрофизик и писатель Карл Саган в исследовании 1972 года указал, что в начале истории Земли 4,5 миллиарда лет назад Солнце излучало примерно на 30 процентов меньше тепловой радиации, чем сегодня.

В 1980 году открытие глобально подтвержденной иридиевой аномалии на границе мелового и палеогенового периодов вызвало интерес, сходный с интересом к парадоксу. Повышенная концентрация очень редкого на Земле драгоценного металла иридия в тонком слое осадочных пород (так называемой «пограничной глины») привела к предположению об астероидном ударе в конце мезозойской эры 66 миллионов лет назад, который серьёзно повлиял на всю экосистему и запечатал всемирное массовое вымирание, последовавшее за вулканическими событиями во время формирования Деканских траппов. Вероятным местом столкновения считается кратер Чиксулуб в Мексиканском заливе вблизи полуострова Юкатан. Тем временем с помощью спутников были обнаружены десятки других ударных кратеров (некоторые из них почти полностью размыты или погребены), что наглядно демонстрирует, что Земля относительно часто сталкивалась с космическими объектами разных размеров в геологические периоды времени. В то же время появляется все больше доказательств того, что серьёзные климатические колебания и связанные с ними массовые вымирания происходили в ходе истории Земли чаще, чем предполагалось ранее. Причины и последствия таких кризисов интенсивно изучаются, чтобы найти возможные параллели с антропогенным глобальным потеплением.

Компьютерное моделирование зарекомендовало себя как важный инструмент для отображения прошлых и будущих климатических сценариев. Из-за сложной структуры и большого количества дополнительных параметров климатические модели предъявляют высокие требования к вычислительным мощностям компьютерной системы. Большинство моделей калибруются под реальные климатические тенденции как в настоящем, так и в прошлом, поэтому они могут не только корректно воспроизводить текущие события, но и, например, климатический цикл последнего ледникового периода. При моделировании климатических изменений значительное влияние оказывают изменяющиеся в течение тысячелетий параметры орбиты Земли, так называемые циклы Миланковича. Учёт этих циклов позволил создать прочную теоретическую основу для характерного течения четвертичного ледникового периода с его теплыми и холодными периодами, включая парниковый эффект и ледово-альбедовую обратную связь.

Прогресс, достигнутый в области радиометрического датирования в последние десятилетия, привел к значительному повышению точности измерений и, следовательно, к частичной переоценке геологических, геофизических и биологических событий. С помощью современных методов датирования стало возможным более точно определять климатические колебания или массовые вымирания по времени и все более детально их реконструировать.

Методы и инструменты анализа

Ископаемые Фораминиферы часто используются в качестве климатических прокси

Надежные и относительно полные данные о погоде и климате появились в распоряжении метеорологии и климатологии только за последние 150 лет. Чтобы иметь возможность делать обоснованные заявления о климате более ранних эпох, современная палеоклиматология имеет в своем распоряжении целый ряд специальных методов измерения и определения, некоторые из которых были разработаны совсем недавно. К стандартным инструментам относятся климатические прокси как косвенные индикаторы климата, которые можно найти в природных архивах, таких как кольца деревьев, сталагмиты, ледяные керны, кораллы, озерные или океанические отложения, пыльца или письменные источники. Климатические прокси используются не только для реконструкции прошлых климатических зон, но и предоставляют информацию о солнечной активности, интенсивности осадков, составе воздуха и химическом составе первобытных морей. Чтобы максимально исключить ложные результаты, климатические прокси необходимо сравнивать с современными сериями данных, полученных инструментально, и калибровать их.

В ходе интенсивных исследований четвертичного ледникового периода, начавшихся в середине XIX века, было обнаружено множество геологических реликтов, свидетельствующих о длительной холодной фазе. В частности, Фенноскандинавский ледниковый щит, покрывавший значительную часть Центральной и Северной Европы, и альпийские предгорные ледники оставили характерные следы в самых разных формациях рельефа или непосредственно участвовали в создании этих формаций в виде корытообразных долин или грунтовых морен. Эти процессы являются предметом изучения ледниковой морфологии, которая также исследует множество других свидетелей ледниковых движений и ледниковых процессов, таких как валунные глины, ледниковые полосы, дропстоуны, лессовые отложения, перигляциальные слои и (с ограничениями) так называемые ледяные клинья. С помощью геологических, палеонтологических и радиометрических методов было выявлено шесть ледниковых периодов общей продолжительностью 525 миллионов лет за последние 2,4 миллиарда лет, причем относительно обширное образование ледников иногда происходило даже в более теплые периоды истории Земли

Геологические и палеонтологические методы обнаружения используются и для более ранних теплых периодов, причем здесь также проводится различие между влажным и сухим (аридным) климатом. Подходящими объектами для датирования и исследования являются местоположение и протяженность первобытных коралловых рифов, состав глинистых минералов, включая филлосиликаты, залежи бурого угля (сланцевого угля), осадочная порода эвапорит и различные формы физического, химического и биотического выветривания в геологические периоды.

Будущее климата Земли

Голоцен — самый поздний период в истории Земли, начавшийся после окончания последней холодной фазы, четвертичного ледникового периода, 11 700 лет назад. Этот период охватывает все известные развитые цивилизации и всю исторически документированную историю человечества, включая современную цивилизацию. В течение голоцена преобладал стабильный глобальный климат с температурным коридором примерно ± 0,6 °C. Отсутствие геофизических, биологических и климатических кризисов рассматривается как гарантия того, что, за исключением ограниченных региональными рамками переломов, могло происходить относительно равномерное культурное и технологическое развитие человеческих обществ.

Осадочные керны из морских глубин свидетельствуют о климатическом оптимуме голоцена около 8000-6000 лет назад, температурные показатели которого были превышены только в XXI веке. Из-за снижения солнечной радиации в северных широтах во время летнего максимума с тех пор происходит небольшое снижение температуры на ≈ 0,1 °C в тысячелетие. Эта тенденция к похолоданию в сочетании с периодичностью циклов Миланковича обычно приводит к новому холодному периоду после межледниковья голоцена примерно через 30 000 лет. Произойдет ли это событие, как предсказывалось, зависит, в частности, от будущего климатического развития в связи с высвобождением антропогенных и природных парниковых газов, при котором, помимо увеличения СО2, наблюдается также растущий выброс метана из океанических месторождений метангидратов.

Согласно сценариям выбросов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) в Пятом оценочном докладе, средняя глобальная температура может повыситься более чем на 4 °C к концу XXI века при наихудшем сценарии. В то время как потепление от нынешних 1 °C до 2 °C считается в некоторой степени управляемым с точки зрения экономических, социологических и экологических последствий, развитие за пределы 2 °C увеличит риски неконтролируемым образом из-за таких факторов, как переломные элементы с краткосрочными эффектами обратной связи. Однако, по мнению некоторых исследователей, так называемая цель в два градуса также должна быть подвергнута критическому пересмотру с точки зрения недооценки потенциала рисков.

По мнению климатолога Штефана Рамсторфа, даже сравнительно умеренное повышение температуры стало бы экстраординарным событием в контексте последних 11 000 лет: «Мы находимся в процессе катапультирования далеко за пределы голоцена». Факт нынешнего изменения климата в сочетании с другими факторами, такими как вымирание видов, закисление океана или сокращение естественных биотопов, привел к концепции антропоцена (древнегреческое: рукотворный новый), который уже наступил по мнению многих ученых. Решение о будущем статусе антропоцена принимает Международная комиссия по стратиграфии (ICS), чья рабочая группа по антропоцену детально изучает различные аспекты этого предложения. На 35-м Международном геологическом конгрессе в Кейптауне в 2016 году эта рабочая группа проголосовала за признание антропоцена, причем в качестве начала новой эпохи был рекомендован 1950 год. В мае 2019 года Рабочая группа по антропоцену проголосовала абсолютным большинством голосов за то, чтобы представить Международной комиссии по стратиграфии проект введения антропоцена к 2021 году, вместе с геологически определённой точкой отсчета для новой эпохи.

По общему мнению ученых, дополнительное количество антропогенного углерода в атмосфере будет лишь постепенно уменьшаться, даже если в будущем выбросы будут в основном прекращены, и все ещё будет обнаруживаться в значительных количествах через 5000 лет. В отличие от этого, время пребывания метана в современных атмосферных условиях составляет всего около 12 лет, хотя при окислении этого парникового газа в свою очередь образуется CO2. Поэтому влияние человека, вероятно, будет оказывать длительное воздействие на климатическую систему и изменять её в ближайшие тысячелетия. Некоторые исследования идут дальше и предполагают самоподдерживающуюся фазу потепления с продолжительностью, подобной температурному максимуму палеоцена/эоцена, принимая во внимание чувствительность климатической системы Земли и различные переломные элементы. Длительный теплый период в районе 100 000 лет, как указано в различных сценариях, серьёзно изменит облик Земли, прежде всего за счет смещения климатических и растительных зон и обширного таяния ледяных щитов Антарктики и Гренландии с соответствующим повышением уровня моря на несколько десятков метров.

Предсказания о развитии климата Земли в ближайшие миллионы лет носят спекулятивный характер, поскольку задействованные механизмы позволяют сделать лишь приблизительную оценку. Однако весьма вероятно, что события и процессы, происходившие в прошлом, такие как колебания климата, массовые вымирания или мегавулканизм крупной магматической провинции, продолжат характеризовать историю Земли в будущем. В принципе, ничто не мешает сменить кайнозойский ледниковый период теплым периодом с полярными областями, свободными ото льда, и тропической растительностью, как это было, например, в эоцене 50 миллионов лет назад. Решающую роль здесь играет будущее положение континентальных плит. Если исходить из современного тектонического цикла плит, то через 50-200 миллионов лет будет следующее распределение континентов.