Ученые выяснили, почему ледниковые периоды наступают каждые 100 000 лет

Фото из открытых источников

Международное исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что минимальных изменений солнечной радиации оказалось достаточно, чтобы сместить преобладающие ветры Северной Атлантики и навсегда изменить ритм ледниковых циклов.

Работа, выполненная учеными из лаборатории Environnements et paléoenvironnements océaniques et continentaux (EPOC) при Институте национальных парков Бордо, CNRS, EPHE–PSL и Университете Бордо, дает ответ на один из самых насущных вопросов палеоклиматологии: почему примерно миллион лет назад периоды экстремального холода стали повторяться не каждые 40 000 лет, а каждые 100 000 лет, — ритм, который до сих пор определяет динамику континентального льда.

Так называемый среднеплейстоценовый переход, охватывающий период от 1,2 миллиона до 650 000 лет до настоящего времени, ознаменовал собой глубокую реорганизацию климатической системы Земли. В течение десятилетий модели и геологические данные демонстрировали изменение периодичности, но не могли объяснить механизм, который его вызвал.

Группа исследователей под руководством Марии Ф. Санчес Гони смогла с беспрецедентной детализацией реконструировать эволюцию зимних осадков и атмосферной циркуляции в Северной Атлантике в течение этого критического периода. Для этого они объединили анализ ископаемых пыльцевых зерен, извлеченных из морских отложений у побережья Португалии, с современными климатическими моделями и палеоклиматическими данными из других регионов Северного полушария.

Полученная в результате этой реконструкции последовательность событий разворачивается в три четко различимых этапа. На начальном этапе выраженные сезонные колебания инсоляции удерживали западные ветры — известные как западные ветры — в относительно северном положении, обеспечивая влажные зимы в Южной Европе и предотвращая рост ледяных масс сверх определенных пределов.

Однако в период от 930 000 до 790 000 лет назад амплитуда этих сезонных колебаний начала уменьшаться. В результате струйное течение и связанные с ним ветры сместились на юг, смещая зимние штормы от Средиземного моря и вызывая заметный дефицит осадков, который затронул не только Европу, но и обширные районы Азии и Северной Америки.

Эта широко распространенная засуха имела неожиданный эффект: из-за уменьшения накопления снега в средних широтах ледяные массы, расположенные севернее, в Скандинавии и на северо-востоке Канады, смогли утолщиться и стабилизироваться без сезонного таяния, которое могло бы их разрушить.

Климатические модели показывают, что эти условия способствовали образованию более толстых и устойчивых ледяных щитов, которые действовали как поглотители пресной воды и изменяли отражательную способность планеты. Однако настоящий поворотный момент наступил после 790 000 лет назад, когда колебания инсоляции снова усилились.

Затем западные ветры вернулись на север, неся влажные воздушные массы над европейским континентом и вызывая зимние снегопады, неуклонно подпитывая уже сформировавшиеся крупные ледяные щиты. Именно этот дополнительный запас влаги в сочетании с тепловой инерцией самих ледников в конечном итоге закрепил новый 100 000-летний темп циклов наступления и отступления.

Авторы исследования подчеркивают, что этот переход произошел не в результате критического порога или внезапного коллапса системы, а в результате постепенного дрейфа, вызванного незначительными изменениями орбиты Земли. Эксцентриситет, наклон оси вращения и прецессия изменили сезонное распределение солнечной энергии, достигающей высоких широт Северного полушария, и эта модуляция, хотя и незначительная с точки зрения лучистой мощности, оказалась достаточной, чтобы сместить ветры на юг или вернуть их на север.

Авторы с помощью моделирования высокого разрешения подтвердили, что западные ветры проявляют особенно высокую чувствительность к минимумам летней инсоляции в этих полярных регионах, так что даже небольшие падения летней радиации достаточны для того, чтобы вызвать сдвиг траекторий штормов по широте.

Однако последствия этой атмосферной перестройки не ограничивались режимом осадков. Смещение ветров в Северной Атлантике изменило циркуляцию как на поверхности, так и в глубинах океана, повлияло на характер теплообмена между океаном и атмосферой, а также изменило пути переноса минеральной пыли из африканских пустынь, равнин Центральной Азии и засушливых регионов Северной Америки.

Эта цепная реакция обратных связей — между льдом, атмосферной пылью, парниковыми газами и самой циркуляцией ветра — в совокупности привела к устойчивой трансформации функционирования глобального климата, закрепив состояние, которое сохраняется до сегодняшнего дня.

Данные пыльцевого анализа, особенно чувствительные к колебаниям влажности, позволили исследователям четко определить моменты, когда средиземноморские степи и сосновые леса уступали место более засушливым ландшафтам, и наоборот. Эта информация, сопоставленная с численными моделями, дает одно из самых ясных на сегодняшний день представлений о том, как атмосфера Северной Атлантики реагировала на орбитальное воздействие в прошлом.

В работе также подчеркивается, что западные ветры, традиционно считавшиеся второстепенным фактором в крупных четвертичных переходных периодах, в действительности играли ведущую роль как в росте, так и в последующем распаде основных ледниковых покровов, и что их чувствительность к летнему излучению намного выше, чем предполагалось в более ранних моделях.

Эта публикация выходит в то время, когда научное сообщество вновь уделяет внимание механизмам, связывающим орбитальные вариации с резкими изменениями климата. Главный вывод франко-испанской группы — переход был медленным и определялся орбитой, а не внутренним коллапсом — подтверждает идею о том, что климатическая система, хотя и сложная, предсказуемо реагирует на астрономические стимулы, если учитывать все взаимодействия между атмосферой, океаном, льдом и пылью.

Тем не менее, остается вопрос, могут ли эти же механизмы действовать в будущем в условиях антропогенного глобального потепления, хотя авторы избегают спекуляций и просто отмечают, что история среднего плейстоцена показывает, что, казалось бы, небольшие изменения в сезонном распределении солнечного света могут иметь крупномасштабные и долгосрочные последствия для поведения ветра и осадков.

Исследование, финансируемое несколькими европейскими и североамериканскими агентствами, дополняет растущий объем данных, указывающих на необходимость переоценки относительного влияния орбитального воздействия в долгосрочных климатических моделях.

Данные, полученные у берегов Португалии, в сочетании с исследованиями, проведенными в Атлантическом и других океанах, теперь обеспечивают прочную основу для переосмысления хронологии оледенения и для улучшения прогнозов того, как ветровой пояс Северного полушария может реагировать на будущие изменения температурного градиента между арктическими и тропическими регионами.

На данный момент объяснение этого загадочного замедления ледниковых циклов, похоже, наконец-то обрело связную структуру, сотканную из пыльцевых зерен, орбит планет и непреходящей памяти, хранящейся в морских отложениях.