Повышение концентрации CO₂ в атмосфере влияет на континентальный сток посредством радиационного и физиологического воздействия. Однако то, как изменения климата и земной поверхности и, в частности, их взаимодействие, регулируют изменения глобального стока, остаётся в значительной степени нерешённым. Авторы разработали структуру атрибуции, объединяющую подходы эмпирического моделирования «сверху вниз» и моделирования «снизу вверх», чтобы показать, что изменения земной поверхности являются причиной 73–81% прогнозируемого увеличения глобального стока. Это возникает из-за синергетического эффекта физиологических реакций растительности на повышение концентрации CO₂ и реакций земной поверхности — например, растительного покрова и влажности почвы — на радиационно-обусловленное изменение климата. Хотя изменение климата сильно влияет на изменения регионального стока, оно играет незначительную роль (19–27%) в увеличении глобального стока из-за компенсации положительных и отрицательных вкладов различных регионов. Эти результаты подчёркивают важность точного модельного представления процессов на поверхности Земли для надёжных прогнозов глобального стока для поддержки устойчивого управления водными ресурсами.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-023-01659-8

Авторы оценили, как температура воздуха, высокая солнечная радиация и низкая скорость ветра могут вызывать гипоксию в мелководном озере во время аномальной жары. Они смоделировали концентрации растворённого кислорода в придонной воде и сравнили концентрации в 2022 году со средними значениями за предыдущие 30 лет. Оказалось, что гипоксия наиболее чувствительна к скорости ветра. При низкой скорости ветра конвекция была недостаточной для предотвращения гипоксии, но гипоксии не было, если скорость ветра равнялась средней скорости за предыдущие 30 лет. Однако, если солнечная радиация и температура воздуха были равны соответствующим средним значениям за предыдущие 30 лет, гипоксии не возникало, даже при низких скоростях ветра. Сделан вывод, что комбинированное воздействие слабых ветров и высокой либо солнечной радиации, либо температуры воздуха вызвало гипоксию во время волны тепла 2022 года.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL102967

Арктика прогревается, но вместо того, чтобы большие реки мигрировали быстрее, они на самом деле замедляются из-за зарастания кустарником.

Многолетняя мерзлота — это основа Арктики, но она тает стремительными темпами, подвергая опасности инфраструктуру и ландшафт.

Исследователи хотели выяснить, как повышение температуры и таяние многолетней мерзлоты влияют на движение крупных арктических рек. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Climate Change, показало, что миграция русел таких рек на самом деле сокращается. Реки на Аляске и канадских Юконе и Северо-Западных территориях мигрировали на 20% меньше в период с 1972 по 2020 гг., когда температура в регионе резко возросла.

Эти большие извилистые водные потоки исторически двигались с практически постоянной скоростью, но изменение климата перевернуло эту ситуацию, сказал соавтор исследования Алессандро Йелпи (Alessandro Ielpi), геоморфолог из Университета Британской Колумбии. «Невероятно интересно посмотреть, что происходит, когда река не находится в устойчивом состоянии», — сказал он. «Что может быть лучше примера и возможности [для изучения этого явления], чем изучение реакции северных рек на изменение климата?»

Свёртывание

Реки со временем естественным образом мигрируют из-за движения воды и наносов. Боковая миграция относится к перемещению берегов реки, когда вода толкает наносы из стороны в сторону. Все реки, рассмотренные в этом исследовании, находятся в отдалённых районах — даже для Арктики — и особое внимание уделялось поймам рек.

Чтобы измерить миграцию рек, исследователи оценили снимки спутника Landsat 10 рек шириной более 100 метров на Аляске, Юконе и Северо-Западных территориях. Эти реки, в том числе Юкон и Маккензи, находятся в районах с разным слоем многолетней мерзлоты, от непрерывной до спорадической.

Исследователи сравнили изображения осевых линий рек — приблизительно середины между берегами — выбирая каждые 5 лет снимки без облаков, сделанные в одно и то же время года. Затем они создали покадровую запись, используя динамическую деформацию времени — алгоритм, изначально созданный для предсказания фондового рынка, а теперь широко используемый для естественных систем.

Они обнаружили, что в период с 1972 по 2020 гг. боковая миграция рек снижалась в среднем на 3,7% в год. Эта величина, по мнению исследователей, вполне может быть выше. Хотя изначально исследователи пытались доказать общепринятую идею о том, что берега рек обрушатся без удерживающей их многолетней мерзлоты, они с удивлением обнаружили обратное.

Полученные данные, по словам Йелпи, предполагают, что «возможно, нам нужно сделать шаг назад и взглянуть на всю природную систему и понять, что да, многолетняя мерзлота может внести свой вклад, но этот вклад не так силён, как вклад, скажем, растительности в формирование берегов русла».

Глубокие корни

Реки, которые больше всего замедлились, находились в районах с наибольшим ростом кустарников. По словам Йелпи, по мере того, как Арктика нагревается, прорастают кусты с более глубокими корнями, такие как арктическая ива. Он объяснил, что реки с самой медленной миграцией — это «те, где кустарники больше всего продвигаются к руслу».

Исследователи предположили, что корни растений удерживают берега рек на месте, сдерживая эрозию и замедляя боковую миграцию. Они смогли связать замедление роста с новой жизнью растений, используя нормализованный разностный индекс вегетации для измерения изменений в растительности с течением времени.

Много рек, которые нужно пересечь

Исследователи выбрали для текущего исследования крупные реки, потому что их легче увидеть на старых спутниковых снимках. Йелпи предупредил, что с учётом этих ограничений новые результаты не обязательно будут применимы к более мелким рекам.

«Мы не знаем, когда вы двигаетесь к всё меньшим и меньшим притокам, сохранится ли эта схема или нет», — сказал Йелпи.

Чтобы выяснить это, последующее исследование его команды сосредоточено на более мелких реках в течение более короткого периода времени с использованием новых изображений.

Идея о том, что растительность стабилизирует берега рек по мере углубления оттепели, очень интересна, говорит Бетани Нейлсон (Bethany Neilson), гидролог из Университета штата Юта, не участвовавшая в исследовании. В дополнение к расширению пространственного охвата за счёт исследования большего числа рек, она также видит возможности для расширения охвата включением различных гидрологических факторов. Например, по её словам, сильный ледоход во время весенних оттепелей может быть очень разрушительным. «Поскольку эти показатели разрушения меняются, это может действительно изменить то, что очищается и перемещается».

Новое исследование способствует пониманию того, как реки в более высоких широтах ведут себя иначе, чем реки в низких широтах, где была проделана большая часть работы по речной миграции, сказал Йелпи. «Исследование документирует изменение, но также даёт немного больше информации об особенностях функционирования рек в высоких широтах».

Ссылка: https://eos.org/articles/as-the-arctic-warms-these-rivers-are-slowing-down

Точная количественная оценка долгосрочных тенденций в содержании стратосферного озона может быть сложной задачей из-за их чувствительности к естественной изменчивости, качества наборов данных наблюдений, нелинейных изменений в процессах воздействия, а также из-за статистических методологий. Многомерная линейная регрессия является наиболее часто используемым инструментом для анализа тренда озона, однако сложная взаимосвязь в большинстве атмосферных процессов может привести к проблемам, связанным с переобучением или множественной коллинеарностью, при использовании обычного метода наименьших квадратов (МНК). Чтобы решить эту проблему, авторы применяют регуляризованный (гребневый) регрессионный метод для оценки трендов содержания озона и количественной оценки влияния отдельных процессов. Они используют объединённый набор данных Stratospheric Water и OzOne Satellite Homogenized (SWOOSH) (v2.7) для получения трендов профилей стратосферного озона за период 1984–2020 гг. Помимо SWOOSH, также проанализированы набор данных глобального профиля стратосферного озона без пробелов на основе машинного обучения с поправкой на спутники из транспортно-химической модели (ML-TOMCAT), а также результаты двух транспортно-химических моделей (TOMCAT) с помощью реанализов ECMWF ERA-Interim и ERA5.
При гребневой регрессии тренды профилей стратосферного озона по данным SWOOSH показывают меньшее снижение в течение 1984–1997 гг. по сравнению с МНК с наибольшими различиями в самых нижних слоях стратосферы (> 4% за десятилетие на уровне 100 гПа). Содержание озона в верхних слоях стратосферы увеличивалось с 1998 г. с максимумом (~2 % за десятилетие на уровне около 2 гПа) в местную зиму для средних широт. Отрицательные тренды с большими неопределённостями наблюдаются в нижней стратосфере с наибольшей выраженностью в тропиках. Максимальные различия в оценках тренда после 1998 г. между методом гребневой регрессии и МНК проявляются в нижней стратосфере тропиков (с разницей ~7% за десятилетие на уровне 100 гПа). Колебания содержания озона, связанные с такими естественными процессами, как квазидвухлетние колебания, солнечная изменчивость, Эль-Ниньо–Южное колебание, арктические и антарктические колебания, также указывают на то, что коэффициенты гребневой регрессии несколько меньше и менее изменчивы по сравнению с оценками, основанными на МНК. Кроме того, оценки тенденций на основе ML-TOMCAT согласуются с набором данных SWOOSH. Наконец, авторы утверждают, что большие различия между данными, полученными со спутников, и результатами моделирования подтверждают, что в оценках трендов озона всё ещё существуют большие неопределённости, особенно в нижней стратосфере, и при обсуждении результатов, если используемые объясняющие переменные коррелируют, необходима осторожность.

Ссылка: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-591/

Засухи обычно считаются долговременной и медленно развивающейся климатической опасностью. Постоянное отсутствие осадков приводит к высыханию почвы и растительности, что сопровождается снижением уровня воды в реках и озёрах. Засухи могут нарастать и длиться годами на больших территориях, приводя к лавинообразному изменению последствий для людей и окружающей среды. Например, на Африканском Роге шесть дождливых сезонов подряд не идут дожди, что приводит к повсеместному отсутствию продовольственной безопасности и массовой миграции. И наоборот, засуха может возникнуть быстро, меняя условия с «нормальных» на проблематично засушливые в течение нескольких недель. Эти так называемые «внезапные засухи» сродни внезапным наводнениям в том смысле, что они возникают внезапно, без предупреждения. Следовательно, последствия могут быть серьёзными, поскольку остается мало времени, чтобы подготовиться к такой засухе или справиться с ней, пока не стало слишком поздно. Yuan et al. (см. ниже) представили прогноз глобального перехода к более частым внезапным засухам.

Science: Глобальный переход к внезапным засухам в условиях изменения климата

Внезапные засухи происходят часто во всём мире, и их быстрое начало затрудняет мониторинг и прогнозирование. Однако единого мнения о том, стали ли внезапные засухи новой нормой, нет, поскольку число «медленных» засух также может увеличиться. В этом исследовании показано, что темпы усиления засухи ускорились в субсезонных временных масштабах и что произошёл переход к более внезапным засухам в более чем 74% регионов мира, определённых в специальном отчёте Межправительственной группы экспертов по изменению климата об экстремальных явлениях за последние 64 года. Переход связан с усилением аномалий эвапотранспирации и дефицита осадков, вызванных антропогенным изменением климата. Прогнозируется, что в будущем этот переход распространится на большинство земельных участков с более значительным увеличением в сценариях с высоким уровнем выбросов. Эти данные подчёркивают настоятельную необходимость адаптации к быстро наступающей засухе в более тёплом будущем.

Ссылки: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3097

В данном исследовании анализируются турбулентные свойства и термодинамическая структура арктического пограничного слоя атмосферы (АПС) в зимний период и при переходе к весне. Эти процессы влияют на эволюцию и продолжительность жизни облаков, а также на баланс поверхностной радиационной энергии в Арктике. Для измерений авторы использовали инструментальную полезную нагрузку, перевозимую на привязном аэростате, наполненном гелием. Эта система была развёрнута в период с декабря 2019 года по май 2020 года во время годовой экспедиции Многопрофильной дрейфующей обсерватории для изучения арктического климата (MOSAiC). Были получены натурные измерения с высоким разрешением по вертикали профилей турбулентных параметров, достигающих высоты до нескольких сотен метров от поверхности морского льда. Были определены два типичных состояния арктического АПС: безоблачные ситуации с мелководным и стабильным АПС и облачные условия, поддерживающие смешанный АПС. Авторы использовали эти данные для оценки высоты поверхностного слоя смешения. С этой целью был введён метод группового числового критерия Ричардсона. Получив критическое общее число Ричардсона для зимнего времени в высоких широтах, авторы распространили анализ на данные радиозондов. Кроме того, они проверили применимость теории подобия Монина-Обухова для определения высоты поверхностного слоя смешения на основе измеренных поверхностных потоков.

Ссылка: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-629/

Дымовые аэрозоли от крупных лесных пожаров являются идеальной поверхностью для гетерогенной реакции хлорных воздушных компонентов, ускоряя их превращение из озонобезопасных форм в реактивные.
С середины ХХ века человечество выбрасывало в атмосферу хлорфторуглероды (ХФУ). К 1980-ым годам ХФУ разрушили озоновый щит планеты, поставив под угрозу безопасность и здоровье людей на Земле. Ограничения и запреты по всему миру начали исправлять ущерб, но новые исследования показали, что всё более сильные лесные пожары могут тормозить этот прогресс.
Жидкие капли, содержащие дым от лесных пожаров, действуют как крошечные реакционные камеры для хлора в стратосфере, производя реактивные формы элемента, разлагающие озон в средних широтах, сообщают исследователи в журнале Nature.
Этот химический механизм «никогда раньше не наблюдался», — сказал соавтор исследования учёный-атмосферщик Кейн Стоун (Kane Stone) из Массачусетского технологического института. «Это совершенно новая химия, которую мы рассматриваем».
Ожидается, что крупные лесные пожары будут происходить чаще по мере того, как планета нагревается, поэтому новое открытие вызвало опасения, что усиливающиеся пожары могут затормозить восстановление стратосферного озонового слоя, защищающего поверхность Земли и её жителей от вредного ультрафиолетового излучения.

Запрещённые химические вещества

ХФУ, когда-то широко использовавшиеся в аэрозольных распылителях и хладагентах, представляют собой простые химические вещества, содержащие углерод, хлор и фтор. Когда эти химические вещества поднимаются в стратосферу, ультрафиолетовое излучение разрушает их, высвобождая хлор. Попадая в атмосферу, один атом хлора может разрушить более 100 000 молекул озона.
Атомы хлора перестают разрушать озон, как только они попадают в молекулу соляной кислоты или нитрита хлора. Эти два химических вещества обычно не реагируют с озоном. Но аэрозольные частицы облегчают химические реакции, которые превращают эти безопасные для озона формы хлора в более реактивные соединения. Они делают это, захватывая соляную кислоту и нитрат хлора из воздуха и помещая их рядом с другими химическими веществами, что ускоряет реакции. Это преобразование является проблемой в основном в стратосферных облаках над полюсами, которые полны жидких и ледяных аэрозолей, вносящих при столкновении с соляной кислотой и нитратом хлора существенный вклад в разрушение озона. Другие аэрозоли, такие как вулканический пепел, также могут вызывать проблемы.
По словам Стоуна, после катастрофического сезона лесных пожаров 2020 года в Австралии были наблюдения за действительно необычными химическими процессами, происходящими в стратосфере, включая рекордно низкие уровни содержания соляной кислоты и падение концентрации озона над южными средними широтами.
Стоун и его коллеги думали, что необычные наблюдения могут объясняться дымовыми аэрозолями лесных пожаров. В средних широтах обычно слишком тепло, чтобы соляная кислота и нитрат хлора могли попасть в воду или ледяные аэрозоли, поэтому они обычно не реагируют с образованием химических веществ, разрушающих озоновый слой. Но дым лесных пожаров полон аэрозольных жидкостей на основе углерода, таких как спирты и органические кислоты, способные поглощать соляную кислоту легче, чем вода, при более высоких температурах. Обеспечивая реакционную поверхность для химических веществ хлора, дым от лесных пожаров может способствовать разрушению озона.
Чтобы выяснить, способствуют ли эти органические вещества разрушению озонового слоя, учёные раскопали старые лабораторные измерения растворимости соляной кислоты в различных жидкостях на основе углерода, сделанные в основном в 1950-х и 1960-х годах. Они включили эти данные в компьютерное моделирование химического состава атмосферы после австралийских пожаров 2020 года и сравнили результаты с реальными измерениями. Учёт большей растворимости соляной кислоты в органических жидкостях в их моделировании дал «результаты, которые выглядят очень, очень близкими к тому, что мы наблюдали», — сказал Стоун.
Это открытие показало, что дым от австралийских пожаров истощил около 3–5% озонового слоя над южными средними широтами.
Только в течение последних 5-7 лет исследователи начали осознавать, что сильные шлейфы дыма от лесных пожаров вообще могут достигать стратосферы, сказал специалист по лидарам Альберт Ансманн (Albert Ansmann) из Института тропосферных исследований им. Лейбница в Германии, не участвовавший в новом исследовании.
Когда дело дошло до разрушения озонового слоя, «никто на самом деле не думал о лесных пожарах и дыме», — сказал он.

Застопоренное восстановление?

ХФУ постепенно исчезают с тех пор, как Организация Объединенных Наций единогласно приняла решение ограничить их использование после принятия Монреальского протокола в 1987 году. Озоновый слой должен вернуться к своему состоянию до 1980-х годов к середине 2060-х годов в Антарктиде, к 2045 году в Арктике, а к 2040 году где-либо ещё.
Но изменение климата может осложнить это восстановление, говорят Стоун и Ансманн. Ожидается, что во многих пожароопасных регионах, таких как бореальные леса, изменение климата приведёт к увеличению частоты и силы пожаров.
По словам Ансманна, пожары истощают озоновый слой не только в тех регионах, где они происходят, — дым от отдалённых пожаров может нанести ещё больший ущерб на полюсах, чем в средних широтах. Он и его коллеги связали крупные лесные пожары (и их взаимодействие с полярными стратосферными облаками) с истощением озонового слоя над Антарктидой на 10–30%.
Учёные всё ещё изучают, как ведёт себя дым в стратосфере и как он взаимодействует с озоном. По словам Стоуна, в будущем будет важно проверить, как восстановление озонового слоя будет реагировать на усиление лесных пожаров из-за изменения климата. Он добавил, что обновление старых исследований того, насколько хорошо хлорные соединения растворяются в органических жидкостях, также будет важно.
Возможно, неочевидная связь между лесными пожарами и истощением озонового слоя осложняет оценку того, что принесёт будущее, поскольку изменения климата «колеблются в сети множества обратных связей, управляющих миром природы».

Ссылка: https://eos.org/articles/wildfire-smoke-destroys-ozone

При глобальном потеплении поведение экстремальных осадков смещается в сторону нестационарности. Авторы анализируют годовые максимумы суточных осадков по всему миру, используя прогнозы проекта CMIP6 в рамках четырёх общих социально-экономических траекторий (SSP). Прогнозы были скорректированы с помощью полупараметрического квантильного картирования, нового метода, распространённого на экстремальные осадки. Этот анализ исследует 1) изменчивость будущих годовых максимумов суточных осадков в глобальном масштабе и 2) эффективность стационарных и нестационарных моделей при описании будущих годовых максимумов суточных осадков с тенденциями. Результаты показывают, что глобальное потепление потенциально усиливает годовые максимумы суточных осадков. При непараметрическом анализе уровень осадков за 33 года увеличивается до 33,2 мм по сравнению с историческим периодом. Параметрический анализ показывает, что период повторяемости 100-летних исторических событий уменьшится примерно до 50 и 70 лет в Северном и Южном полушариях, соответственно. Согласно сценарию с самым высоким уровнем выбросов, прогнозируемые 100-летние уровни, как ожидается, увеличатся на 7,5%–21% по сравнению с историческими. Использование стационарных моделей для оценки 100-летнего уровня для прогнозов годовых максимумов суточных осадков с трендами приводит к недооценке в среднем на 3,4%. Чтобы объяснить эту недооценку, проводятся обширные эксперименты методом Монте-Карло.

Ссылка: https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/36/9/JCLI-D-22-0467.1.xml

Использование воды тесно связано с социальными целями, которые являются как локальными, так и глобальными по своему масштабу, такими как устойчивое развитие и экономический рост. Поэтому очень важно, особенно для долгосрочного планирования, понять, как будущее секторальное водопользование может развиваться в глобальном масштабе при точном разрешении. Кроме того, на будущее водопользование могут сильно повлиять глобальные факторы, такие как социально-экономические и климатические изменения, а также создаваемые ими многосекторальные динамические взаимодействия. Авторы создали новый глобальный набор данных по ежемесячному секторальному водозабору и потреблению воды на координатной сетке с разрешением 0,5° за 2010–2100 гг. для 75 различных сценариев. Сценарии согласованы с пятью общими социально-экономическими путями (SSP) и четырьмя сценариями репрезентативных путей концентрации (RCP) для поддержки их использования в исследованиях, оценивающих последствия неопределённых изменений человеческого общества и земной системы на будущую глобальную и региональную динамику. Для получения данных авторы объединили модель анализа глобальных изменений (GCAM) с моделью пространственного масштабирования землепользования (Demeter), глобальной гидрологической структурой (Xanthos) и моделью масштабирования водозабора (Tethys).

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-023-02086-2

Вертикальные движения в океане играют центральную роль в таких необходимых для формирования климата Земли процессах, как поглощение CO2, отвод тепла или перенос загрязняющих веществ. В этой работе исследуются трёхмерные конвейерные маршруты, связанные с атлантической меридиональной термохалинной циркуляцией. Полученные результаты показывают геометрию перемешивания структур в верхних и глубоких слоях океана с помощью лагранжевых когерентных структур. Этот инструмент определяет, среди прочего, зоны, связанные с вертикальным переносом, и характеризует его временные масштабы. Авторы фокусируют исследование на двух регионах. Первый — это область Фламандского мыса, зоны взаимодействия основных компонентов атлантической меридиональной термохалинной циркуляции, где анализ выделяет глубоководную область, в которой воды очень быстро поднимаются к поверхности океана. Второй — море Ирмингера, где проведённый анализ подтверждает существование нисходящей зоны и обнаруживает ранее не зарегистрированную «апвеллинговую» связь между очень глубокими водами и поверхностью океана.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022GL102244