Примерно 1,5 миллиона лет назад на Земле произошел радикальный климатический сдвиг. Планета уже входила в ледниковый период каждые 40 000 лет и выходила из него, что было вызвано колебаниями ее орбиты. Но затем что-то перевернулось. Ледниковые периоды стали становиться сильнее и продолжительнее, продолжаясь 100 000 лет, и в целом на планете стало прохладнее. И ничто в орбите Земли не могло этого объяснить.
Причина этого среднеплейстоценового перехода (МПТ), как известно, оставалась загадкой на протяжении десятилетий. Новая подборка глобальных температур за последние 4,5 миллиона лет, опубликованная в журнале Science, указывает пальцем на знакомую молекулу: углекислый газ. Это предполагает, что усиление океанского насоса в водах вокруг Антарктиды высасывало углекислый газ из воздуха и отправляло его в бездну, охлаждая планету и усиливая ледниковые периоды. Исследование даже предполагает, что климат тогда и сейчас мог быть более чувствительным к углекислому газу, чем ожидают разработчики моделей. «Мощь ручки управления [углекислым газом] климатической системы действительно проистекает из этой работы», — говорит Рут Моттрам, ученый-климатолог из Датского метеорологического института.
Такая точка зрения на МПТ также представляет собой удар по другой ведущей теории перехода: что за это ответственны сами ледниковые щиты. Согласно этой «гипотезе реголита», как только ледники в Северном полушарии счистят достаточно почвы, чтобы сформироваться на устойчивой коренной породе, они смогут вырасти выше, а затем рухнуть под собственным весом, продлевая продолжительность ледниковых периодов. Отражая больше света в космос и изменяя погодные условия, эти большие ледяные щиты могут еще больше охладить планету. Но Питер Кларк, гляциолог из Университета штата Орегон, который первым выдвинул гипотезу о реголите и является соавтором нового исследования, говорит, что эта работа представляет собой начало конца его идеи. «Есть признаки того, что ледяные щиты оказали незначительное влияние или, по сути, не оказали никакого влияния на глобальную температуру», — говорит он.
Вместо этого Кларк и его коллеги теперь утверждают, что стержнем климата около 1,5 миллионов лет назад был Южный океан и, в частности, пространство морского льда, простирающееся от Антарктиды. Их глобальные температурные рекорды показывают постепенное снижение, которое в это время становится все более резким. Поскольку данные также отражают региональные тенденции, они показали, что Южный океан к тому времени достаточно остыл, чтобы морской лед мог образовываться более регулярно и в более крупных масштабах, чем в наше время.
По мере роста морского льда он высасывает пресную воду из океана, оставляя после себя более соленую и плотную воду, которая опускается на дно океана, унося с собой растворенный углекислый газ и охлаждая планету. В свою очередь, охлаждение приведет к большему образованию морского льда, усилению этого океанского насоса — двигателя глобального конвейера океанских течений — и интенсификации ледникового периода. Каждый ледниковый период в конечном итоге закончится, как традиционно предполагалось: разрушением северных ледниковых щитов, которые соскользнут в море. Внезапный выброс пресной воды в океаны разрушит глобальный конвейер. Углекислый газ уйдет, планета нагреется, а морской лед растает.
«Это надежный механизм для запуска этого каскада MPT», — говорит Томас Чок, геохимик из Европейского центра исследований и образования в области экологических наук о Земле. Хотя исследование не является первым, в котором предполагается, что морской лед Антарктики сыграл роль в MPT, температурные рекорды заполняют пробел в этой области, которая хронически недооценивает важность Южного океана, говорит Моттрам.
Чтобы составить данные, исследователям пришлось выйти за рамки записей кернов, пробуренных на полярных ледниковых щитах, поскольку они датируются всего лишь 800 000 лет назад. Изотопы кислорода у фораминифер, крошечных морских существ, чьи окаменелости обнаруживаются в кернах отложений по всему миру, содержат более длинные записи. Но эти изотопы не просто фиксируют температуру океана; они также отражают количество пресной воды, поглощенной ледяными щитами. Исследователи изо всех сил пытались разделить эти два эффекта. «Существует множество предположений», — говорит Джереми Шакун, палеоклиматолог из Бостонского колледжа и соавтор исследования. «Мы хотели чего-то более прямого».
Исследователи начали собирать опубликованные записи на основе других показателей температуры. Один опирается на алкеноны, липиды, вырабатываемые в океане только двумя близкородственными видами водорослей; количество двойных углеродных связей в молекуле меняется в зависимости от температуры. Другой сравнивает соотношение магния и кальция у фораминифер; при более высоких температурах включается больше магния. И последнее просто сравнивает численность различных видов микробов, которые кажутся чувствительными к изменениям температуры.
Для составления температурной «стеки» Шакуну потребовалось собрать 128 опубликованных записей. «Этот первый маленький шаг бесконечен», — говорит он. «Половина дела». Ему пришлось стандартизировать каждую запись и выровнять их возраст. Затем он и его коллеги использовали современные климатические модели для прогнозирования прошлых глобальных температур с учетом температуры океана, записанной прокси. Они сверили результаты с современными климатическими данными и некоторыми хорошо изученными моментами времени, такими как последний ледниковый период и теплый период перед плейстоценом.
Полученные температурные кривые сильно отличаются от других опубликованных записей и результатов моделей. Когда 40 000-летние ледниковые периоды впервые начались, 2,7 миллиона лет назад, долгосрочная тенденция похолодания не сдвинулась с места — признак того, что отражательная способность северных ледниковых щитов не была важным фактором температуры. Региональные тенденции в рамках нового температурного рекорда показали, что планета синхронно охлаждалась повсюду — признак влияния углекислого газа, который смешивается со всей атмосферой. Это глобальное влияние также наблюдается во время MPT, когда температура начала падать быстрее, в конечном итоге установившись в среднем примерно на 4°C ниже доиндустриального уровня.
Данные также показывают, что за 4,5 миллиона лет похолодание было на 3°C больше, чем должно было произойти, как предполагают климатические модели. Это вызывает тревогу, поскольку исследователи, пытающиеся предсказать, насколько жаркое глобальное потепление заставит планету обратиться к прошлому, чтобы понять «чувствительность» климата – как менялись температуры при введении или удалении углекислого газа. Новая реконструкция температуры предполагает, что климатические модели, возможно, недооценивают влияние газа, по крайней мере, в своих прогнозах прошлого. «Если верить этим данным, климатическая система более чувствительна, чем мы предполагали в этих симуляциях», — говорит Чок. «Нам нужно знать, как к этому подойти».
Постоянные усилия по расширению данных ледяных кернов за пределы 1 миллиона лет помогут уточнить эту картину, добавляет Бербель Хёниш, геохимик из Колумбийского университета. Но этот новый рекорд, с его региональными тонкостями, вероятно, станет основой для большой будущей работы. «Это очень красивая пластинка», — говорит она. Чок говорит, что эти темы исследований могут включать вопросы, которые будут учитываться в прогнозах климата, например, как погодные условия могут меняться на разных континентах или как облака реагируют на потепление в разных океанах.
Тем не менее, новый температурный рекорд должен закрыть книгу о плейстоцене, основанном на ледниковом покрове, говорит Тимоти Герберт, палеоклиматолог из Университета Брауна. «Танец глобальной температуры вызван в первую очередь не льдом, а, скорее, углекислым газом». Эти данные проливают свет на решающую роль Южного океана, где морской лед в настоящее время быстро тает, а последствия, которые исследователи только начинают разгадывать. «Это клапан глубокого хранения углерода», — говорит он. И сегодня этот клапан может закрыться.
