Глобальное потепление 2100

У сегодняшних детей будут свои внуки, когда они доживут до момента, на котором заканчиваются все климатические прогнозы. Нет ли в прошлом каких-то подсказок насчёт нашего будущего?


Карта современной Антарктики, где показана скорость отступления (2010-2016) «линии сцепления», на которой ледники теряют контакт с дном, а также океанские температуры. Одинокая красная стрелочка в восточной Антарктике – это ледник Тоттен, содержащий столько воды, что её хватит на поднятие уровня мирового океана на 3 метра.

Все, что случилось с нами, лишь пролог.
— Уильям Шекспир, «Буря»

2100-й год выглядит, как линия из ограничительных флажков, стоящих на финишной черте изменений климата – будто бы все наши цели заканчиваются именно тогда. Но, перефразируя предупреждение на зеркале заднего вида, он к нам ближе, чем кажется. У сегодняшних детей будут свои внуки, когда они доживут до момента, на котором заканчиваются все климатические прогнозы.

Однако, в 2100-м году климат не перестанет меняться. Даже если мы успешно ограничимпотепление в этом веке величиной в 2 ºC, содержание CO2 в воздухе составит 500 миллионных долей (ppm). Такого уровня наша планета не видала со времён середины миоцена16 млн лет назад, когда наши предки ещё были человекообразными обезьянами. Тогда температура была выше на 5 – 8 ºC, а не на 2 ºC, а уровень моря был выше на 40 метров, или даже больше – не на полметра, которые ожидаются к концу этого века, согласно отчёту межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) от 2013 года.

Откуда взялся зияющий разрыв между предсказаниями на конец века и тем, что было в прошлом Земли? Не говорит ли климатическое прошлое планеты нам о том, что мы что-то упустили?

Время

Одна большая причина разрыва проста: время.

Земле необходимо время на реакцию на изменения содержания парниковых газов. Некоторые изменения длятся годами, другим на достижение нового равновесия требуется целое поколение. Таяние льдов и вечной мерзлоты, разогрев глубин океанов, формирование торфяных слоёв, реорганизация растительного покрова – на эти процессы уходят столетия и тысячелетия.

Медленная реакция такого типа не учитывается в климатических моделях. Это частично происходит из-за недостатка компьютерных мощностей для их обсчёта, частично – поскольку мы концентрируемся только на том, что произойдёт в следующие несколько десятилетий, частично – поскольку эти процессы предсказуемы не на 100%. Но, несмотря на то, что пока климатические модели успешно предсказывают наблюдаемые изменения, неопределённости существуют даже для реакций, происходящих довольно быстро – таких, как образование облаков или усиление потепления на полюсах.

Прошлое Земли, с другой стороны, демонстрирует нам то, как на самом деле проходило изменение климата, суммируя весь спектр быстрых и медленных откликов планеты. Во время прошлых изменений климата, во время которых у Земли были ледяные шапки (как сегодня), она обычно разогревалась на 5 ºC – 6 ºC при каждом удвоении уровня CO2, при этом на весь процесс уходило порядка тысячи лет. Это примерно в два раза больше значений «равновесной чувствительности климата» (Equilibrium Climate Sensitivity, ECS), используемого в моделях предсказания климата до 2100 года, которые подсчитываются в основном исходя из исторических наблюдений.


«Все, что случилось с нами, лишь пролог» – гравировка на здании национальных архивов в Вашингтоне О.К.

«Мы действительно ожидаем, что системная чувствительность Земли (измените CO2, и на это отреагируют все системы – ледяные шапки, растения, уровень метана, аэрозоли, и проч.) окажется выше ECS. Наше изучение плиоцена говорит, что примерно на 50% выше, хотя и это не предел», — сказал мне Гэвин Шмидт, директор Годдардовского института изучений космоса НАСА в Нью-Йорке.

Или, как сказала Дэйна Ройер из Уэслианского университета: «Проще говоря, климатические модели обычно недооценивают степень изменения климата относительно геологических свидетельств».

Частично за более высокий уровень изменений отвечает медленно реагирующие системы Земли, ответственные за общее потепление. Даже если бы завтра прекратились абсолютно все выбросы парниковых газов, уровень моря будет расти ещё много столетий из-за теплового расширения и таяния ледников; ледяные шапки Антарктики и Гренландии также будут продолжать таять из-за уже накопленной климатом за несколько десятилетий температуры. И поскольку CO2 подолгу остаётся в атмосфере, в отсутствие геоинженерных решений по его удалению мир преодолеет любой предел по температуре, назначенный на конец столетия, и она останется высокой ещё на несколько сотен лет.

Но это не объясняет разрыв полностью, а значит, мы не учитываем ещё какой-то усиливающей обратной связи. Как сказано в национальной оценке климата США 2017 года: «несовпадение моделей с данными по прошлым потеплениям говорит о том, что климатические модели упускают не менее одного, а может и более, процесса, критического для будущего потепления, особенно в полярных регионах».

Сможет ли миоцен поведать нам будущее?

Климатический оптимум середины миоцена (Mid-Miocene Climate Optimum, MMCO) был древним потеплением климата, во время которого уровни CO2 скакнули от менее чем 400 миллионных долей до 500. Содержание CO2 в древности измеряется различными косвенными методами, такими, как содержание изотопов бора и углерода в ископаемых и древних почвах, или по порам на ископаемых листьях. Причиной скачка был редкий вулканический феномен, «крупная пирогенная провинция», во время которого огромные количества базальта были извергнуты на поверхность на западе современной территории США 16,6 млн лет назад. Иветт Элей и Майкл Хрен [Yvette Eley and Michael Hren] из Коннектикутского университета изучали, как это повлияло на климат.

Они пользовались таким инструментом, как молекулы жира, оставшиеся в отложениях после живших в то время растений и микробов. Элей и Хрен извлекли химические останки микробов миоцена из грязей того периода в Мэриленде, а затем пересчитали процентное содержание различных жировых молекул в температуру почвы, используя калибровки, основанные на более чем десятилетнем изучении микробных жиров в современных почвах со всей планеты. «Определённо время появления этих базальтовых потоков и время изменения климата очень тесно связаны, — сказала Элей. – Наши биомаркеры определённо отслеживают поведение CO2. Что бы ни вызвало изменения в системе экологии планеты, оно определённо следовало за pCO2».

Но среди различных примеров климатических колебаний MMCO был очень мягким, по сравнению с концом пермского периода, триасового периода и других событий, связанных с массовыми вымираниями. Выбросы CO2 в миоцене были достаточно медленными, чтобы избежать значительного окисления океанов, в отличие от сегодняшнего дня или экстремальных примеров из прошлого.

Они схожим образом подсчитали и температуру морей, используя химические останки морских микробов: «Мы получили относительное изменение температуры поверхности моря во время MMCO на 4-5 градусов – а тогда температура моря была на 6 градусов больше сегодняшней», — сказала Элей.

Теплее, влажнее, суше?

Они измерили влажность атмосферы в миоцене, анализируя химические остатки воскового покрытия листьев растений, откалибровав их по современным значениям в различных местах планеты. «Если использовать воск с листвы, наш биомаркер, в качестве показателя влажности атмосферы, то мы приходим к выводу, что в середине миоцена атмосфера становилась более влажной, — сказала Элей. – Довольно интересно рассматривать нашу работу в контексте других реконструкций. Запад современной территории США стал более сухим, Южная Америка более влажной, части Европы более влажными, а другие части – более сухими».

Такие удалённые места, как восточное побережье СШАтихоокеанский северо-западзападный КитайПатагонияцентральная Азия и Атакама в Южной Америке стали гораздо более влажными, что привело к увеличению глобальной эрозии. В результате произошло расширение площади лесов и их уплотнение. Интересно, что в Северной Африке или Азии не было признаков пустынь, а сейчас у нас есть пустыни Сахара и Гоби.

Широко распространившееся увлажнение атмосферы и озеленение поверхности не совпадают с теми предсказаниями будущего, которые делаются для текущей ситуации – согласно этим предсказаниям, те части, что сейчас являются влажными, будут становиться более влажными, а сухие – ещё более сухими. Разница может состоять в том, что наше изменение климата происходит очень резко по сравнению с куда как более медленным изменением в миоцене.

Хотя ещё до середины миоцена на планете было очень много лесов (в отличие от сегодняшнего дня, отражающего процесс обезлесения, которому способствовали люди, несколько тысячелетий жившие между ледниковыми периодами), потепление в миоцене привело к чётко наблюдаемым изменениям растительности по всему миру, которые сохранились в ископаемом виде, особенно в виде окаменелой пыльцы.

На большей части Европы субтропические растения пришли на смену адаптировавшимся к холоду растениям, а густые леса с обилием болот заполонили берега и дельты рек на территориях современных Дании и Германии (тогда береговая линия Европы была на 190 км глубже в сторону земли, чем сегодня). Эти болота накапливали бурый уголь, сегодня обеспечивающий четвертьгенерации электроэнергии Германии. Испания сопротивлялась тенденции к увлажнению при помощи жаркого и сухого климата на юге и тёплого и влажного климата на севере, точно как сегодня, и испытывала долгие сухие сезоны.


Жизнь в середине миоцена на территории современной Испании в представлении художника

Судя по европейским растениям, между сезонами перепад температур был меньше.

В Сибири дожди шли в 3-5 раз чаще, чем сегодня, а болота на востоке России тоже накапливали уголь. В арктической Канаде, где сегодня находится тундра с вечной мерзлотой и без деревьев, в середине миоцена низкотемпературные леса из берёз, вязов, падубов и зонтичной сосны сменились высокотемпературными лесами, где рос бук, орешник, амбра, грецкий орех и липа.

Вблизи экватора ранние слоны и антилопы гуляли по травянистому и влажному Аравийскому полуострову, а северная Африка была покрыта лесами там, где сегодня перемещаются песчаные дюны. Человекообразные обезьяны распространились по лесистой планете, и именно тогда наши предки, гоминиды, отделились от других человекообразных.

Но больше всего изменилась Антарктика.

Подъём уровня моря на 40 метров

Растаяло от трети до трёх четвертей Антарктического льда. На земле, освободившейся ото льда, появилась тундра и леса, состоящие из буков и хвойных деревьев, чего не могло бы быть, если бы Антарктическим летом не было бы теплее 10 ºC (это гораздо теплее, чем сегодняшние -5 ºC). Неясно, чем занималась Гренландия, но на её севере мог быть небольшой ледяной покров, довольно сильно растаявший.

В результате уровни моря поднялись на целых 40 метров. Сегодня это значительно отодвинуло бы береговую линию внутрь континентов, и затопило бы густонаселённые регионы, в которых проживает четвёртая часть всех людей планеты.

40 метров – это лишь немногим больше последних предсказаний подъёма уровня моря недалёкого будущего: до метра к 2100 году и до 1,6 метров (когда под водой окажутся места проживания 5% населения мира) к 2300 году, при условии, что мы стабилизируем потепление на уровне около 2 ºC. Разница только во временных масштабах. Согласно национальной оценке климата США от 2017 года, 2 ºC потепления приведёт к потере 3/5 частей льда Гренландии и одной трети льда Антарктики, что приведёт к повышению уровня моря на 25 м – правда, за 10 000 лет.

И всё же, сведения из миоцена говорят о том, что современное поднятие уровня моря может оказаться более сильным и быстрым.

Береговые отложения восточной Антарктики демонстрируют, что её льды были чрезвычайно чувствительны даже к небольшим изменениям уровня CO2 и колебаниям орбиты в миоцене, и могли таять довольно быстро. Насколько быстро? Эдвард Гассон из Шеффилдского университета Британии подсчитал, что Антарктика могла изначально повышать уровень моря примерно на 2,5 м каждые сто лет, а затем этот процесс замедлился, и за 10 000 лет уровень стал выше на 30-36 метров. Эта скорость совпадает с оценками Роберта Деконто из Пенсильванского университета и Дэвида Полларда из Амхерстского колледжа, сделанными на основе плиоцена, климат которого был прохладнее, чем в середине миоцена, а уровень моря «всего» на 20 м выше, чем сегодня. Деконто и Поллард предположили, что современное потепление на 2,5 ºC к 2100 году повысит уровень моря на 5,7 м к 2500-му году – примерно на 1,2 м в столетие. Это быстрое изменение может показаться радикальным, но нам известно, что периодически за последние 500 000 лет уровень моря поднимался на 4-5,7 м каждые сто лет.

Если современный подъём уровня моря окажется похожим на тот, что был в плиоцене, 1,2 м за сто лет, или в миоцене, 2,4 м за сто лет, а не как у IPCC – на полметра за век, то наше будущее будет совсем иным. Поднятие уровня моря, усиленное приливными затоплениями и штормами, сделает огромное количество прибрежной инфраструктуры и владений бесполезными уже через пару поколений.

И до сих пор компьютерные модели не поддерживали такую большую скорость таяния льдов.

Таяние льдов под воздействием океана, который дестабилизирует и подмывает ледники, было критичным для миоцена, и кажется критичным сегодня. Этот процесс может запустить самоподдерживающуюся нестабильность морских ледовых щитов, и ледники начнут отступать внутрь земли из-за чашеобразной формы Антарктики. Чем глубже будет забираться лёд, тем быстрее он будет таять из-за давления, а более тонкие ледники всплывают, поэтому они будут отступать ещё быстрее, до тех пор, пока не сформируют высокие пики, которые будут ломаться под собственным весом, что будет дальше ухудшать ситуацию. И этот процесс в Антарктике уже, вероятно, начался.

Ещё один ускоритель таяния – это вода, таящая на поверхности, для чего необходимо достижение температур выше точки замерзания. Она проникает в трещины, замерзает, и раскалывает лёд, как дровокол – это явление наблюдали при исчезновении ледника Якобсхавн в Гренландии. И сегодня поверхностное таяние происходит в некоторых частях Антарктики. Такие усиливающие таяние процессы лишь недавно добавили в новые компьютерные модели, и теперь они показывают, что скорости увеличения уровня моря, наблюдавшиеся в древности, возможно, увидят и наши потомки.

Отступление льда усиливает потепление, поскольку яркая, отражающая свет поверхность заменяется тёмной, поглощающей тепло водой и землёй. В результате, температуры будут медленно расти и дальше.


Как мог выглядеть ледяной щит Антарктики в миоцене, от 14 до 23 млн лет назад

Надежда на неопределённость?

Может ли разрыв между климатом миоцена и нашим предполагаемым будущим существовать просто из-за недостатка и неточности данных по древнему климату?

«Изменения уровня CO2 в среднем миоцене может превышать расчётное медианное значение. О других факторах вообще ничего не известно. Уровни метана или N2O не определены. Количество озона или сажи (появляющейся после пожаров или в результате жизнедеятельности растений) тоже мало известно, — рассказал мне Гэвин. – Поэтому, даже если бы у нас были идеальные индикаторы глобальной температуры (а их нет), оценки чувствительности, полученные простым делением температуры на уровень CO2 нельзя сравнить с сегодняшними оценками ECS».

И всё-таки, несмотря на разброс значений уровня, они имеют тенденцию скапливаться вокруг значения в 500 ppm для среднего миоцена. Некоторые исследования даже говорят о возможности более низкого уровня CO2, приведшего, тем не менее, к более высоким температурам. Картину относительно тёплого климата поддерживают геологические свидетельства о высоком уровне моряи найденные ископаемые по всему миру, включая морское дно неподалёку от берегов Антарктики.

Был ли климатический оптимум увеличен из-за циклического изменения орбиты? Хотя отдельные ледниковые циклы миоцена и зависели от орбитальных колебаний, как это было с последним ледниковым периодом, тёплая погода и максимальное отступление льда сохранялись на протяжении нескольких орбитальных и ледниковых циклов, наравне с более высокими уровнями атмосферного CO2. Так что мы не можем повесить повышение оптимума только лишь на орбиту Земли вокруг Солнца.

Ещё больше запутывает дело то, что начало миоцена отличалось от сегодняшнего дня. Климат раннего миоцена был теплее наших доиндустриальных времён, тогда было меньше покрытых травой местностей, а океаны сообщались друг с другом по-другому. Течение из Тихого в Атлантический океан шло там, где сейчас расположена Панама, а Берингов пролив был перекрыт. Однако учёные считают, что эти течения, возможно, не так уж и сильно влияли на климат, и по многим параметрам планета была очень похожей на сегодняшнюю.

Так что, существуют большие неопределённости в том, насколько хорошо ситуация в миоцене описывает будущее наших потомков. И, конечно, по меньшей мере, в последние 66 млн лет не было процессов, аналогичных по такой большой скорости выбросов в атмосферу. На этих основаниях можно оправданно отказаться от сравнения ситуации с любыми древними аналогами. Нужно лишь помнить, что неопределённость – это палка о двух концах: она может сработать не только в более благоприятном для оценивающего направлении.

Если всё это покажется вам слишком депрессивным, то знайте – надежда есть! Она заключается в малой скорости реагирования Земли, которая приоткрывает нам небольшое окно возможностей.

 

Рука в огне

Если достаточно быстро провести руку через пламя свечи, вы не обожжётесь. Тот же принцип работает и с Землёй – если мы минимизируем время, которое планета проведёт под воздействием температур, превышающих доиндустриальные, то, возможно, мы и сумеем избежать подъёма уровня океана, сравнимого с тем, что был в миоцене.

Хотя льды Гренландии и западной Антарктики уже тают с ускорением, восточная Антарктика – пока что – остаётся в относительно стабильном состоянии (за исключением ледника Тоттен). Так что, если мы удержим потепление сильно ниже 2 ºC, модели Деконто и Полларда говорят о том, что восточная Антарктика не внесёт существенного вклада в повышение уровня моря в будущем.

Но для этого нам потребуется уменьшить концентрацию парниковых газов, и перевыполнить планы программы Net Zero.

«Отрицательные выбросы» (активное поглощение CO2 из воздуха) может медленно уменьшить глобальные температуры и стабилизировать множество факторов повышения уровня моря в XXII веке. Согласно Матиасу Менгелю из Потсдамского исследовательского института влияния на климат, падение уровней CO2 в итоге позволит Антарктике начать медленно накапливать лёд, поэтому уровни моря снова начнут падать где-то через три сотни лет.

Но это предположение будет верно только если технологии отрицательных выбросов можно будет развернуть на крупных масштабах уже к 2030-м – это сценарий с «ограниченно реалистичным потенциалом«. Каждые пять лет задержки внедрения обрекают наших потомков на дополнительный метр уровня моря к 2300 году. Также такой сценарий подразумевает, что в процессе борьбы с потеплением мы не запустим широкомасштабный коллапс ледяных щитов. В противном случае этот процесс станет необратимым в масштабах нескольких тысячелетий, даже если мы сумеем удалить из атмосферы CO2.

Наше текущее окно возможностей не будет оставаться открытым долго – учёные пытаются понять, не начался ли уже коллапс ледяных щитов у одного из крупнейших ледников западной Антарктики. «Всё меняется очень, очень быстро по сравнению со всем, что мы находили в геологических записях, — говорит Элей. – Мне бы очень хотелось верить, что у нас на руках не окажется один из наиболее худших сценариев, но мне кажется, что мы уже стоим на пути к этим уровням [CO2]».

«В середине миоцена уровень CO2 поднимался на 100-200 ppm. С начала индустриальной эпохи мы уже добрались до повышения в 127 ppm. Так что мы уже наполовину прошли этот путь, — сказал Хрен. – Неопределённость заключается не только в том, к каким уровням CO2 мы в итоге придём, но и в том, как система среагирует на такие быстрые изменения».

Источник: https://habr.com/post/417717/