Учёные выяснили, почему ледниковые циклы стали повторяться каждые 100 тысяч лет

Около миллиона лет назад климат Земли пережил загадочную перестройку: периоды роста и сокращения континентальных ледников перестали следовать прежнему ритму примерно в 40 тысяч лет и перешли к циклу продолжительностью около 100 тысяч лет. Новое исследование показывает, что важную роль в этом переходе могли сыграть относительно небольшие изменения сезонного распределения солнечной энергии, которые повлияли на положение западных ветров над Северной Атлантикой.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, посвящено так называемому среднеплейстоценовому переходу — периоду примерно от 1,2 миллиона до 650 тысяч лет назад, когда климатическая система Земли претерпела масштабную перестройку. Само изменение ритма оледенений было хорошо известно по геологическим данным, однако механизм, который мог его вызвать, долгое время оставался неясным.

Группа исследователей под руководством Марии Ф. Санчес Гони из лаборатории EPOC при Университете Бордо, CNRS и других научных учреждений попыталась восстановить изменения атмосферной циркуляции и зимних осадков в Северной Атлантике в этот период.

Для этого учёные проанализировали ископаемую пыльцу, сохранившуюся в морских отложениях у побережья Португалии. Пыльца позволяет определить, насколько влажным или сухим был климат на прилегающей территории. Полученные данные исследователи сопоставили с результатами климатического моделирования и другими палеоклиматическими свидетельствами из Северного полушария.

Реконструкция показала, что перестройка происходила не одномоментно, а состояла из трёх последовательных этапов.

На раннем этапе сильные сезонные изменения количества солнечной радиации способствовали тому, что западные ветры — мощный пояс воздушных потоков, окружающий Северное полушарие в средних широтах, — располагались относительно севернее. Зимние циклоны и связанные с ними осадки чаще достигали Южной Европы, обеспечивая регион достаточным количеством влаги.

Однако примерно между 930 и 790 тысячами лет назад характер сезонных изменений инсоляции изменился. Западный перенос и связанная с ним зона штормовых путей сместились южнее.

Это привело к изменению распределения зимних осадков. В частности, южные районы Европы стали получать меньше влаги. Подобные изменения затронули и другие территории Северного полушария.

На первый взгляд уменьшение осадков должно было бы препятствовать росту ледников. Но климатическая система отреагировала парадоксальным образом.

Снижение количества снега в средних широтах означало, что меньшее количество ледникового материала подвергалось сезонному таянию. При этом крупные ледовые массивы в более высоких широтах, в частности в Скандинавии и на северо-востоке Канады, могли становиться более устойчивыми и постепенно накапливать массу.

Климатические модели показывают, что такое состояние способствовало формированию более толстых и долговечных ледниковых щитов. Они, в свою очередь, усиливали климатические обратные связи, в том числе связанные с отражением солнечного излучения и циркуляцией океана.

Следующий важный этап начался после примерно 790 тысяч лет назад. Сезонные изменения инсоляции вновь усилились, а западные ветры сместились севернее. Влажные воздушные массы снова стали чаще поступать в Европу, увеличивая зимние снегопады.

К этому моменту крупные ледниковые щиты уже успели сформироваться. Дополнительное поступление влаги способствовало их дальнейшему росту, а большая масса льда обладала значительной тепловой и динамической инерцией. В результате ледниковые щиты становились способными сохраняться в течение значительно более длительных периодов.

Именно сочетание этих процессов, согласно исследованию, помогло климатической системе перейти к новому режиму, в котором крупные циклы оледенения и межледниковий стали происходить примерно раз в 100 тысяч лет.

При этом авторы не утверждают, что само по себе изменение солнечной радиации непосредственно «запустило» 100-тысячелетний цикл. Речь идёт о сложной цепочке обратных связей между атмосферой, ледниками, океаном, углекислым газом и минеральной пылью.

Изменения положения западных ветров влияли не только на количество осадков. Они перестраивали циркуляцию Северной Атлантики, изменяли обмен теплом между океаном и атмосферой и могли воздействовать на содержание углекислого газа в атмосфере.

Одновременно менялись пути переноса минеральной пыли из пустынных районов Африки, Центральной Азии и Северной Америки. Пыль способна влиять на климат различными способами, в том числе изменяя свойства поверхности льда и участвуя в переносе питательных веществ в океан.

Таким образом, относительно небольшое изменение сезонного распределения солнечной энергии могло через атмосферную циркуляцию запустить целую последовательность климатических обратных связей.

Особенно важными оказались данные о растительности. Ископаемая пыльца позволила определить периоды, когда в районе Средиземноморья сосновые леса и более влажные экосистемы сменялись засушливыми растительными сообществами. Эти изменения совпадали с реконструированными перемещениями атмосферных потоков.

Сопоставление палеоклиматических данных с компьютерными моделями показало, что западные ветры Северной Атлантики могли быть гораздо чувствительнее к изменениям летней инсоляции в высоких широтах, чем предполагалось ранее.

Полученные результаты предлагают новое объяснение одной из наиболее известных загадок палеоклиматологии — почему в среднем плейстоцене доминирующий период климатических колебаний изменился примерно с 40 тысяч до 100 тысяч лет.

Авторы считают, что этот переход был не результатом внезапного разрушения климатической системы и не следствием достижения какого-либо единственного критического порога. Скорее, перестройка происходила постепенно под воздействием изменений орбитального положения Земли.

Эксцентриситет орбиты, наклон земной оси и прецессия изменяют сезонное распределение солнечной энергии. Эти изменения относительно невелики по сравнению с общим количеством поступающей на Землю солнечной радиации, однако климатические обратные связи способны многократно усиливать их последствия.

Исследование показывает, что атмосферная циркуляция могла выступать одним из ключевых промежуточных механизмов, связывающих орбитальные изменения Земли с долгосрочной динамикой ледниковых щитов.

При этом новое исследование не означает, что современное глобальное потепление можно напрямую сравнивать с естественными климатическими изменениями плейстоцена. Авторы лишь показывают, насколько чувствительной способна быть климатическая система к изменениям сезонного распределения энергии и насколько важную роль в этой системе играют атмосферные потоки.

Результаты также могут помочь уточнить климатические модели, описывающие долгосрочную динамику Северного полушария. В частности, они подчёркивают необходимость учитывать взаимодействие атмосферной циркуляции, океана, ледников, парниковых газов и минеральной пыли, а не рассматривать влияние орбитальных циклов изолированно.

Таким образом, загадка среднеплейстоценового перехода, по-видимому, связана не с одной причиной, а с последовательностью связанных процессов. Небольшие изменения сезонной инсоляции изменяли положение западных ветров и распределение осадков, что создавало условия для роста и стабилизации крупных ледниковых щитов. После этого вступали в действие дополнительные обратные связи, помогавшие климату сохранять новый режим с примерно 100-тысячелетним ритмом оледенений.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.