Понимание того, как глобальная средняя температура поверхности (ГСТП) менялась за последние полмиллиарда лет, время, когда эволюционные модели флоры и фауны оказали такое важное влияние на эволюцию климата, необходимо для понимания процессов, управляющих климатом за этот период. Джадд и др. (Judd et al.) представляют запись ГСТП за последние 485 миллионов лет, которую они построили, объединив косвенные данные с моделированием климата. Они обнаружили, что ГСТП изменялась в диапазоне от 11° до 36°C, с «кажущейся» чувствительностью климата ∼8°C, что примерно в два-три раза больше, чем сегодня.

Долгосрочная запись глобальной средней температуры поверхности даёт критически важное представление о динамических пределах климата Земли и сложных обратных связях между температурой и более широкой системой Земли. Авторы представляют PhanDA, реконструкцию ГСТП за последние 485 миллионов лет, созданную путём статистической интеграции косвенных данных с результатами климатической модели. PhanDA демонстрирует большой диапазон ГСТП, от 11° до 36°C. Разделение реконструкции на климатические состояния показывает, что больше времени было проведено в более тёплом, чем в холодном климате, и выявляет последовательные широтные температурные градиенты в каждом состоянии. Существует сильная корреляция между концентрациями углекислого газа (CO2) в атмосфере и ГСТП, определяя CO2 как доминирующий контроль изменений глобального климата фанерозоя и предполагая очевидную чувствительность системы Земли ~8°C.

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk3705

Более тёплые условия океана могут повлиять на будущую потерю льда в Антарктиде из-за их способности истончать и уменьшать опору ограниченных по бокам шельфовых ледников. Предыдущие исследования подчёркивают потенциальную возможность сдвига режима океана с холодного на тёплый в пределах подшельфовых полостей двух крупнейших антарктических шельфовых ледников — Фильхнера-Ронне и Росса. Однако количественно не определено, как это влияет на поток льда вверх по течению и потерю массы. Здесь, используя модель ледяного щита и ансамбль скоростей таяния подшельфовых ледников, оцененных моделью циркуляции океана, авторы показывают, что переход к тёплому состоянию в этих полостях шельфовых ледников приводит к дестабилизации и необратимому отступлению линии заземления в некоторых местах. Как только происходит этот сдвиг океана, потеря льда из водосборов Фильхнера-Ронне и Росса значительно ускоряется, и условия начинают напоминать условия современного сектора моря Амундсена, ответственного за большую часть наблюдаемой в настоящее время потери антарктического льда, где этот тепловой сдвиг уже произошёл.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-02134-8

Какова была температура Земли десятки или сотни миллионов лет назад? Планета прошла через разные периоды, некоторые с обширными полярными ледяными шапками, а другие были полностью свободны ото льда. Оценка прошлой глобальной температуры важна для понимания истории жизни на Земле, для прогнозирования будущего климата и, в более широком смысле, для информирования о поиске других пригодных для жизни планет. Однако существуют серьёзные разногласия относительно того, произошло ли общее снижение температуры Земли с течением времени. На странице 1316 этого выпуска Judd et al. (1) сообщают о новой реконструкции температуры Земли за последние 485 миллионов лет, объединив климатические модели с геологическими данными. В отличие от некоторых оценок, они приходят к выводу, что периоды глобального потепления сохранялись в схожих температурных диапазонах. Это подтверждает недавние прогнозы Isson and Rauzi (2) на основе большой компиляции данных различных геологических образцов, устанавливая более широкое согласие.

Полярные ледяные шапки оставляют отличительные геологические свидетельства, которые геологи могут восстановить (3), что позволило составить карту того, насколько обширными были эти замёрзшие регионы в течение фанерозоя — последних 540 миллионов лет, в течение которых развивались животные и растения. Эта запись показывает цикл между периодами «ледников» с большими постоянными ледяными шапками и «парниковыми» периодами без них. Современная Земля является ледником, и она была им в течение последних 34 миллионов лет. Текущая средняя температура поверхности составляет около 15°C. Но были ли предыдущие периоды ледников также при этой температуре, и насколько горячими были периоды парниковых газов? Знание прошлой температуры Земли помогает нам лучше понять будущие изменения климата, но измерить её сложно. Местоположение ледяных шапок зависит от положения континентов, которое существенно изменилось с течением времени. Скудные геологические записи вызывают частый пересмотр сроков и масштабов прошлого оледенения.

Одним из методов точного измерения температуры в течение геологического времени является использование соотношения двух различных изотопов кислорода, который является наиболее распространённым элементом в земной коре. Большинство атомов кислорода имеют восемь протонов и восемь нейтронов. Но небольшое число атомов кислорода имеет разное число нейтронов. Один из встречающихся в природе изотопов кислорода имеет 10 нейтронов, таким образом, имея больший вес, чем его наиболее распространённая форма. Многие морские организмы включают кислород в свои раковины или другие части тела. Соотношение изотопов — соотношение числа более тяжёлых атомов к числу более лёгких атомов — в их раковинах зависит от температуры местной морской воды (более высокая температура благоприятствует большей доле более лёгкого изотопа) и использовалось для реконструкции изменения глобальной температуры в течение геологического времени (4).

Isson and Rauzi сравнили соотношение изотопов кислорода в различных геологических образцах, чтобы предсказать температуру Земли в прошлом. Хотя предыдущие измерения в образцах, охватывающих последние 65 миллионов лет, согласуются с планетарным охлаждением Земли и переходом в её текущий ледниковый период (5), более широкое использование этих значений было спорным. Предыдущий анализ соотношений изотопов кислорода обнаружил более лёгкие изотопы и предсказал всё более высокие глобальные температуры дальше назад во времени. Принятые на веру, результаты предполагали, что изначальная Земля — более двух миллиардов лет назад — имела водные массы с температурой, превышающей 70°C (6). Это поднимает вопросы о выживании микробов и образовании ледяных шапок, которые время от времени появлялись на древней Земле.

Популярный ответ на этот вопрос заключается в том, что соотношение изотопов кислорода в морской воде не оставалось прежним с течением времени. Поскольку кислород в раковинах поступает из морской воды, изменение состава воды приведёт к смещению оценок температуры. Таким образом, температура Земли могла быть ниже, чем прогнозировалось. Однако для доказательства этого смещения требуются содержащие кислород минералы, которые регистрируют изотопные соотношения морской воды напрямую, без влияния температуры, однако их было трудно найти. К счастью, оксиды железа содержат кислород, который происходит из морской воды (7), и соотношения изотопов кислорода в оксидах железа примерно такие же, как и в морской воде, без сильной зависимости от температуры. Анализ оксидов железа действительно показал, что изотопный состав морской воды изменился с течением времени (7).

На основе этого наблюдения Isson and Rauzi устранили смещение, вызванное изменением изотопного состава морской воды, и дали новую оценку температуры Земли с течением времени. Авторы обнаружили, что температура морской воды два миллиарда лет назад, вероятно, была схожа с зафиксированной в более поздний период истории. Таким образом, модельные оценки, показывающие экстремальные температуры около 70°C на ранней Земле, кажутся маловероятными, и эволюция сложной жизни на Земле, по-видимому, не была результатом длительного охлаждения планеты.

Хотя эти открытия являются захватывающими, реконструкция долгосрочной средней температуры Земли из соотношений изотопов кислорода всё ещё имеет неопределённости. Метод регистрирует только локальную температуру морской воды. Например, раковины давно умерших организмов, которые жили в полярном регионе, будут регистрировать температуру, отличную от температуры организма, который жил в то же время в тёплом тропическом регионе. Ни одна из оценок не будет точно соответствовать глобальной средней температуре в то время. В предыдущих исследованиях часто строили графики изотопных соотношений из тропических мест только для того, чтобы попытаться избежать этого смещения (8).

Judd et al. привнесли новый мощный инструмент для этой задачи: ассимиляцию данных. Они объединили большой набор оценок климатических моделей с различными глобальными температурами за последние 485 миллионов лет с набором данных изотопов кислорода, а также с другими менее часто замеряемыми температурными индикаторами, такими как чувствительные к температуре органические молекулы. Объединение модельных и геологических данных позволило авторам учесть региональные изменения в прогнозируемой температуре. Например, образец из полярного региона сравнивался с прогнозами климатической модели в том же регионе. Это даёт более точную оценку глобальной средней температуры Земли с течением времени.

Новые температурные данные фанерозоя Judd et al. показывают последовательность холодных и тёплых климатов, которая в целом согласуется с известным расширением и отступлением ледяного покрова. Они также показывают некоторые ключевые различия по сравнению с предыдущими оценками температуры. Более ранние исследования, использующие только тропические изотопные отношения кислорода, предсказывали долгосрочное снижение температуры за последние 500 миллионов лет, предполагая, что более ранние периоды парникового эффекта были теплее, чем более поздние (8). Новая реконструкция Judd et al. не соглашается и вместо этого предсказывает, что периоды парникового эффекта имели схожие диапазоны температур. Учитывая схожий прогноз температуры для изначальной Земли Isson and Rauzi, открытие предполагает, что Земля обладает глобальной системой регулирования климата, заставляющей температуру

оставаться в определённом диапазоне. Одно из широко распространённых предположений заключается в том, что реакция магматических пород с водой и атмосферным углекислым газом (CO2) помогает ограничить масштабы долгосрочного изменения климата. Этот процесс медленно удаляет CO2 из атмосферы и усиливается при потеплении климата. Он также используется в качестве геоинженерного метода для борьбы с антропогенными выбросами (9). Таким образом, дальнейшее подтверждение системы регулирования климата приветствуется.

Однако новые данные о температуре в фанерозое Judd et al. открывают некоторые потенциальные проблемы. Модель предсказывает в целом более высокие температуры для периодов парникового эффекта, чем те, которые достигаются в моделях долгосрочного углеродного цикла Земли (10). Таким образом, для устранения этого разрыва может потребоваться переоценка углеродно-климатической системы Земли в течение длительного периода времени. Кроме того, вопрос об изменении изотопов кислорода морской воды не был полностью решён. Набор данных по оксиду железа, используемый для внесения поправок, скуден (7). Хотя он имеет достаточно точек данных, чтобы сделать вывод о том, что соотношение изотопов, скорее всего, изменилось за последние миллиарды лет, объём изменений за последние 500 миллионов лет не ясен. Даже небольшие изменения изотопов кислорода морской воды оказывают большое влияние на прогнозы температуры, сделанные с помощью методов усвоения данных, используемых авторами. Необходимо больше данных для ограничения этого эффекта, и необходимо продолжать разрабатывать альтернативные реконструкции температуры Земли, которые не полагаются на изотопы кислорода.

Прямое сравнение возможного будущего парникового климата с прошлыми остаётся сложным, поскольку эти тёплые периоды устанавливались постепенно в течение миллионов лет. Однако они являются единственными имеющимися доказательствами того, как выглядит парниковый климат, и они жизненно важны для проверки точности климатических моделей (11). Возникают также более фундаментальные научные вопросы о термических пределах биосферы Земли и роли изменения температуры в эволюции более сложных форм жизни, и более глубокое понимание прошлых температур поможет ответить на них. Это будет способствовать оценке движущих процессов, лежащих в основе долгосрочных изменений температуры, и естественных механизмов стабилизации или дестабилизации климата Земли.

References and Notes

1 E. J. Judd et al., Science 385, eadk3705 (2024).
2 T. Isson, S. Rauzi, Science 383, 666 (2024).
3 C. R. Scotese, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 49, 679 (2021).
4 C. Emiliani, G. Edwards, Nature 171, 887 (1953).
5 T. Westerhold et al., Science 369, 1383 (2020).
6 F. Robert, M. Chaussidon, Nature 443, 969 (2006).
7 N. Galili et al., Science 365, 469 (2019).
8 E. L. Grossman, M. M. Joachimski, Sci. Rep. 12, 8938 (2022).
9 D. J. Beerling et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121, e2319436121 (2024).
10 B. J. W. Mills, Y. Donnadieu, Y. Goddéris, Gondwana Res. 100, 73 (2021).
11 D. J. Lunt et al., Commun. Earth Environ. 5, 419 (2024).

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads1526

Улучшение понимания поглощения углерода океаном в будущем требует детальной оценки стоимости ежегодного поглощения океаном. Здесь авторы объединяют подход, основанный на стоимости снижения выбросов, и подход, базирующийся на ущербе от изменения климата, чтобы оценить стоимость ежегодного поглощения океаном. Первый показывает, что совокупная стоимость национальной политики в области климата может увеличиться до 80 миллиардов долларов США, если поглощение углерода океаном ослабнет на 10 процентов. В качестве дополнительной перспективы подход, основанный на ущербе, демонстрирует, что ежегодное поглощение углерода океаном вносит от 300 миллиардов до 2332 миллиардов долларов США в инклюзивное богатство стран. Несмотря на концептуальную привлекательность подхода, базирующегося на ущербе, для потенциального понимания в его рамках регионального перераспределения богатства, неопределённости в национальных оценках социальных издержек углерода делают его менее надёжным, чем подход, основанный на стоимости снижения выбросов, в свою очередь, обеспечивающий более надёжные оценки для оценки фискальных затрат на улучшение услуг мониторинга поглощения углерода океаном.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01674-3

В этом исследовании представлен глобальный анализ аномалий городских осадков, охватывающих более тысячи городов по всему миру. В то время как предыдущие исследования были сосредоточены на влиянии урбанизации на осадки для конкретных городов или отдельных случаев гроз, это исследование открывает инновационные возможности, посредством картирования глобальных очагов городских осадков за последние 20 лет. Оно предоставляет глобальные доказательства заметных аномалий городских осадков, особенно в жарком и влажном климате. Помимо ожидаемого влияния местного климата, полученные результаты показывают, что более высокие уровни урбанизации усиливают эти аномалии городских осадков. Это исследование не только углубляет понимание того, как города формируют осадки, но и закладывает основу для включения соображений урбанизации в будущие прогнозы осадков.

Урбанизация резко ускорилась во всём мире за последние десятилетия. Городское влияние на температуру поверхности теперь рассматривается как поправочный член в климатологических наборах данных. Хотя предыдущие исследования изучали городское влияние на осадки для конкретных городов или отдельных случаев гроз, всестороннее изучение аномалий городских осадков в глобальном масштабе остаётся ограниченным. Это исследование представляет собой глобальный анализ аномалий городских осадков для более чем тысячи городов по всему миру. Обнаружено, что более 60% городов мира и их подветренных регионов получают больше осадков, чем окружающие сельские районы. Более того, величина этих городских влажных островов почти удвоилась за последние 20 лет. Аномалии городских осадков имеют различия на разных континентах и в разных климатических условиях, например, города в Африке демонстрируют самые большие городские годовые и экстремальные аномалии осадков. Города более подвержены существенным аномалиям городских осадков в тёплом и влажном климате по сравнению с холодным и сухим климатом. Города с большим населением, выраженными эффектами городских островов тепла и более высокими аэрозольными нагрузками также показывают заметное увеличение осадков. Это исследование картирует глобальные городские «горячие точки» осадков, создавая основу для рассмотрения поправок на городские осадки в наборах климатологических данных. Это достижение обещает прогнозирование экстремальных осадков и содействие развитию более устойчивых городов в будущем.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2311496121

Разработка будущих климатических прогнозов начинается с выбора будущих сценариев выбросов. Хотя сценарии часто основаны на сюжетных линиях, здесь вместо этого авторы создали вероятностный ансамбль из нескольких миллионов членов прогнозов радиационного воздействия для оценки релевантности его будущих пороговых значений. Они соединили вероятностную базу данных будущих сценариев выбросов парниковых газов с вероятностно откалиброванной климатической моделью пониженной сложности. В 2100 году прогнозируется медианное воздействие в размере 5,1 Вт/м² (с 5-ого по 95-й процентиль от 3,3 до 7,1) с вероятностью примерно 0,5% превышения 8,5 Вт/м² и вероятностью 1% ниже 2,6 Вт/м². Хотя вероятность сценариев с 8,5 Вт/м² низка, эти результаты подтверждают их постоянную полезность для калибровки функций ущерба, характеристики климата в XXII веке (вероятность превышения 8,5 Вт/м² возрастает примерно до 7% к 2150 году) и оценки маловероятного/сильного отклика в будущем.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52437-9

Шельфовые моря европейского северо-запада (NWS) поддерживают экономические интересы и предоставляют экологические услуги прибрежным странам. Расширение оффшорной деятельности, такой как инфраструктура возобновляемой энергии, аквакультура и рост международного судоходства, будет предъявлять всё более сложные требования к морской среде в ближайшие десятилетия. Умелое прогнозирование свойств NWS в сезонных временных масштабах поможет эффективно управлять этими видами деятельности. Авторы количественно оценивают качество оперативной большой ансамблевой глобальной системы прогнозирования, связанной с океаном и атмосферой (GloSea), а также эталонные предсказания инерционности для прогнозов температуры поверхности моря (SST) NWS с заблаговременностью 2–4 месяца зимой и летом. Определены источники и пределы предсказуемости SST с учётом того, какие дополнительные возможности могут быть доступны в будущем. Обнаружено, что качество GloSea NWS SST обычно высокое зимой и низкое летом. GloSea превосходит простые прогнозы инерционности, добавляя информацию об атмосферной изменчивости, но лишь в скромной степени, поскольку инерционность аномалий в начальных условиях вносит существенный вклад в предсказуемость. Там, где инерционность низкая, например, в сезонно стратифицированных регионах, прогнозы GloSea показывают более низкую точность. Точность GloSea может быть снижена из-за недостатков модели в относительно грубом компоненте глобального океана, в котором отсутствует учёт динамических приливов и который, следовательно, не может надёжно представлять локальную циркуляцию и перемешивание. Однако тесты «соответствия атмосферного режима» показывают потенциал для улучшения точности прогнозирования в настоящее время в низкоэффективных регионах, если прогнозы атмосферной циркуляции смогут быть улучшены. Это подчёркивает важность разработки сопряжённой модели «атмосфера-океан» для приложений сезонного прогнозирования NWS.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-024-07439-0

Использование данных прошлого для улучшения будущих прогнозов требует понимания и количественной оценки отдельных вкладов аэрозолей и парниковых газов (ПГ) в наблюдаемое изменение климата, однако оно затруднено большими неопределённостями в аэрозольных воздействиях и реакциях в климатических моделях. Для оценки исторических аэрозольных реакций авторы применяют методы обнаружения и атрибуции, чтобы приписать воздействиям совместное изменение температуры и осадков путём объединения сигналов наблюдаемых изменений во влажных и сухих тропических регионах, межполушарной температурной асимметрии, глобальной средней температуры (global mean temperature, GMT) и глобальных средних осадков на суше (global mean land precipitation, GMLP). Отклики, представляющие реакцию климата на аэрозоли (AER) и оставшиеся внешние воздействия (noAER; в основном ПГ), получены из больших ансамблей исторических одного и всех одновременно воздействий из трёх моделей CMIP6 и выбраны с использованием идеального модельного исследования. Результаты несовершенного модельного исследования и анализа гидрологической чувствительности оправдывают объединение такого выбора «отпечатков» температуры и осадков в совместное исследование. Обнаружено, что диагностика, включающая температуру и осадки, немного лучше ограничивает сигнал noAER, чем диагностика, основанная исключительно на температуре или только на GMT, и позволяет приписывать охлаждение AER (даже когда GMT не включено в «отпечаток»). Эти результаты надёжны для «отпечатков» из разных климатических моделей. Оценочные вклады для AER и noAER согласуются с другими опубликованными оценками, включая оценки из последнего отчёта МГЭИК. Наконец, авторы выделяют наилучшую оценку 0,46 K ([−0,86, −0,05] K) охлаждения, вызванного аэрозолями, и 1,63 K ([1,26, 2,00] K) потепления вследствие остальных внешних воздействий noAER в 2010–2019 гг. относительно 1850–1900 гг., используя объединённые сигналы GMT и GMLP.

Ссылка: https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/37/20/JCLI-D-23-0347.1.xml

Современные изменения глобального климата сопровождаются ростом температуры воздуха и почвы. Как они отражаются на почвенном дыхании и следует ли ожидать изменение эмиссии парниковых газов? На эти вопросы невозможно ответить без исследования газообмена почвы и атмосферы. В настоящей работе приводятся результаты анализа удельных потоков парниковых газов на границе раздела «почва – атмосфера», измеренных в обсерватории «Фоновая» в 2023 г. Для измерения потоков были использованы три статические камеры: прозрачная и непрозрачная – на участках почвы с растительностью, и ещё одна прозрачная – на участке почвы без растительности. Для СО₂ и СН₄ был зафиксирован устойчивый сток в течение всего вегетационного сезона, для N₂O, наоборот, – слабая положительная эмиссия. Устойчивый сток углекислого газа из атмосферы наблюдался в период с мая до середины августа, его величина достигала -600 мг × м^-2 × ч^-1 в июне и июле, а величина стока метана составляла -0,08 мг × м^-2 × ч^-1. Поток закиси азота колебался вблизи нуля, а его среднесуточные вариации почти укладывались в коридор ± 0,02 мг × м^-2 × ч^-1. Установлена нелинейная положительная зависимость увеличения интенсивности дыхания экосистемы, т.е. эмиссии СО₂, от температуры почвы. Для метана получены линейные отрицательные зависимости во всех трёх камерах – рост температуры почвы усиливает его поглощение. У N₂O очень слабые положительные зависимости в обеих прозрачных камерах (с растительностью и без неё). Оценки вклада эмиссии CO₂ из почвы показали, что в ночное время микробное дыхание может вносить вклад в общее дыхание экосистемы от 46,7 до 77,9%. В среднем за сутки доля поглощения метана почвой, обусловленного диффузией и свободной метанотрофией, изменяется от 5,3 до 48,3%. Меньше она становится в дневное время и увеличивается в ночное. Вклад почвы без растительности в общую эмиссию N₂O может составлять до 92,3%. Полученные результаты должны расширить сведения о газообмене «почва – атмосфера» в условиях меняющегося климата.

Ссылка: https://ao.iao.ru/ru/content/vol.37-2024/iss.09/6

Таяние арктической многолетней мерзлоты может кардинально изменить поверхность Земли в северных высоких широтах. Авторы используют вихреразрешающую (LES) модель пограничного слоя атмосферы для изучения деформаций нейтрально стратифицированного пограничного слоя под влиянием изменения структуры неоднородной подстилающей поверхности. Стохастическая модель поверхности основана на гауссовых случайных полях, моделирующих типичные ландшафты многолетней мерзлоты. Учтены характерные особенности двух классов земельного покрова: травянистые угодья и открытые водоёмы. Модельные различия отдельных участков поверхности задаются величиной шероховатости поверхности и поверхностного потока явного тепла. Проводится ряд экспериментов, в которых два параметра, доля площади озёр и величина масштаба корреляции между характеристиками разных участков поверхности, варьируются для изучения чувствительности структуры пограничного слоя к изменениям характеристик неоднородности поверхности. Основные выводы из моделирования следующие: доля суммарной площади озёр оказывает существенное влияние на агрегированный поток явного тепла на высоте перемешивания, где неоднородности поверхности сглаживаются. Чем больше доля площади озёр, тем меньше поток явного тепла. Этот результат приводит к потенциальному механизму обратной связи. Когда Арктика высыхает из-за потепления климата, взаимодействие с пограничным слоем атмосферы может ускорить таяние многолетней мерзлоты. Кроме того, высота перемешивания показывает значительную зависимость от величины масштаба корреляции поверхностных особенностей. Большая величина корреляции поверхности приводит к увеличению высоты перемешивания. Этот вывод имеет значение для моделей поверхности суши, связанных с многолетней мерзлотой Арктики, поскольку они обычно не учитывают метрику неоднородности, которая описывается масштабом корреляции характеристик отдельных участков поверхности.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024JD040794