Плейстоцен – эпоха,
охватывающая примерно 2,6 млн лет вплоть до голоцена (последних 12 тыс. лет), –
характеризуется выраженными циклами оледенений и потеплений («межледниковий»).
В раннем плейстоцене такие циклы были регулярными и имели период 41 тыс. лет. Их
природа объясняется влиянием на климат Земли колебаний земной оси, имеющих в
точности такой же период: в эпохи, соответствующие минимальному наклону оси,
увеличивается разница в количестве принимаемой от Солнца энергии между
тропическими и полярными регионами, что приводит к повышенному перемещению
влаги от тропиков к полюсам, росту количества осадков и, в конечном счете,
«намораживанию» большей массы континентальных льдов. Однако, в среднем
плейстоцене (около 1.2 млн лет назад) ситуация начала кардинально меняться, и
во второй половине плейстоцена климатические циклы стали совсем другими: продолжительность
ледниковых циклов и перепады температуры на протяжении каждого цикла увеличились
в разы, циклы стали менее регулярными, а ледниковые периоды стали занимать
существенно большее время, чем межледниковья. Причины такого изменения климата,
называемого в литературе «Переход среднего плейстоцена» (ПСП), до сих пор
являются предметом горячих дебатов в научном сообществе, а общепринятая теория
этого перехода на данный момент отсутствует. Внимание, уделяемое этой проблеме,
понятно: обоснованное объяснение причин одного из наиболее сильных из известных
нам изменений климата может помочь ответить на волнующий общество сегодня
вопрос о возможности подобных событий в будущем.
В своей недавней работе,
опубликованной в журнале Scientific Reports, физики из Нижнего Новгорода
предложили применить для решения этой проблемы оригинальную методику построения
математических моделей путем прямого анализа имеющихся данных измерений. Эта
методика, использующая методы машинного обучения и специальный критерий выбора
оптимальной модели, позволяет найти динамическую модель явления, которая
наилучшим образом соответствует измерениям, и дает возможность ответить на
вопросы, касающиеся причин и механизмов наблюдаемых изменений климата.
По доступным сегодня данным
об изменениях глобального климата на протяжении последних 2,6 миллиона лет, полученным
из измерений содержания изотопа кислорода в донных отложениях по всему Земному
шару, удалось построить модель, воспроизводящую климатические циклы плейстоцена,
в том числе ПСП. Оказалось, основная причина ПСП связана с нелинейными
свойствами самой климатической системы. В результате медленной эволюции климата
на масштабах десятков миллионов лет, его отклик на различные воздействия
изменился, став более сложным. Так, процессы, протекающие в климате на коротких
временных масштабах (столетних и тысячелетних), которые выглядят как случайный шум
на фоне продолжительных ледниковых циклов, оказались принципиальны для
объяснения ПСП: фактически, именно такие быстрые процессы «раскачивают» климат позднего
плейстоцена, вовлекая его в затяжные оледенения. При этом меняется, но остается
важной роль колебаний оси Земли: теперь они синхронизуют наиболее интенсивные
ледниковые циклы, делая интервал между межледниковьями кратным 41 тысяче лет.
Кроме того, эти колебания существенно увеличивают температурный диапазон ледниковых
циклов, способствуя наращиванию большей массы льда в ледниковые периоды. Стоит
отметить, что кроме колебаний оси Земли, существуют и другие колебания
орбитальных параметров Земли, которые, как предполагали многие исследователи,
могли бы воздействовать на климат. Так, прецессии (вращения) оси планеты и ее
орбиты, вносят большой вклад в вариации солнечной освещенности в высоких
широтах с периодами 19-25 тыс лет. Кроме того, существуют колебания «вытянутости»
эллиптической орбиты вращения Земли вокруг Солнца с периодом около 100 тыс. лет,
имеющие энергетически существенно меньший вклад. Построенная модель позволяет
утверждать, что изменения этих орбитальных параметров не повлияли на ПСП, и
только колебания наклона оси Земли оказали заметное воздействие на климат
плейстоцена как до, так и после ПСП.
Важной особенностью работы, выполненной
нижегородской исследовательской группой, является универсальность созданных
методов и алгоритмов анализа данных, которые могут быть применены как для
изучения причин уже произошедших изменений, так и для прогноза будущего
состояния климатической системы Земли.
Подпись к рисунку:
Данные о климате плейстоцена, которые использовались
для построения модели. Сверху -- композитный ряд изотопа кислорода (LR04
stack), составленный из измерений в донных отложениях по всему Земному шару.
Желтыми кружками отмечены наиболее сильные оледенения, предшествующие резким
потеплениям климата. Снизу показан пространственно-временной (вэйвлет) спектр
этого ряда, на котором переход среднего плейстоцена проявляется как
возникновение широкой спектральной линии на масштабах около 100 тыс. лет.
Ссылка на статью в Scientific Reports: https://www.nature.com/articles/s41598-019-43867-3