Студенту

 

5 РЕГИОНАЛЬНАЯ АСИНХРОННОСТЬ КЛИМАТА – ОСНОВА УСТОЙЧИВОСТИ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА И БИОСФЕРЫ

Согласно современным представлениям об устойчивости сложных систем, поддержание синхронно изменяемой или неизменной температуры во всех районах Земли невозможно. Устойчивость определяется колебательными движениями внутри благоприятного температурного коридора. Незначительное изменение средней температуры воздуха у поверхности Земли (+ 0,6 °С) за весь период инструментальных наблюдений (более 100 лет) сопровождается и, возможно, определяется значительными асинхронными региональными колебаниями температуры.
Отсутствие асинхронности чрезвычайно опасно. Так, развитие оптимальных для развития вспышки массового размножения например сибирского шелкопряда климатических условий одновременно на всей территории Сибири может привести к катастрофическим последствиям для темнохвойных лесов и лиственичников. Можно привести и другой пример. Установление экстремально сухой и жаркой погоды на всем полушарии может привести к катастрофическим лесным пожарам, с возможностью не просто уничтожить лесную растительность, но и вследствие изменения состава атмосферы влиять на следующие изменения (эффект снежного кома).
Внутренние или внешние по отношению к климатиче­ской системе сигналы-возмущения (независимо от их проис­хождения) слишком малы, чтобы вызвать значительные изме­нения климата, и поэтому быстро гасятся климатической систе­мой (Лосев, 1985). И все же относительная стабильность современного климата сопровождается такими его аномалиями и изменения­ми, на которые очень болезненно реагирует человек и биосфера в отдельных регионах.
9 млн. лет назад на уровне 15оС произошел переход от общего падения температуры к периодическими колебаниям (Лосев, 1985). Видимо Земля в силу ряда факторов перешла на новый энергетический уровень. Колебатель­ный характер изменений температуры в этот период связан с периодическим разрастанием покровных оледенений на мате­риках северного полушария и прилегающих к ним шельфах с одновременным разрастанием Антарктического ледникового покрова. Критической пороговой температурой при сущест­вующей климатической системе является нынешняя или очень близкая к ней средняя температура, т. е. около 15°С. Несомненно, что в древние эпохи оледе­нений также существовал подобный порог температуры, за которым начинались периодические колебания оледенения, но поскольку характеристики климатической системы тогда были другими, то иным могло быть и количественное выражение пороговой температуры.
Существует большое количество гипотез объясняющих причины колебания климата (астрономические;  цикличность в движении Земли; поведение покровного оледенения Антарктиды и Арктики; изме­нения концентрации углекислоты; сдвиги в системе океанических течений и др.)
Колебания вызваны двумя разнонаправленными процессами. С одной стороны на биосферу воздействуют факторы отклоняющие систему от оптимального для данного энергетического уровня положения. С другой стороны – противодействие со стороны самой системы. При этом не следует исключать ошибки и в самой системе, которые могут также  приводить, например к глобальному похолоданию. Однако, жизнь на Земле потому и существует, что в биосфере заложены механизмы подавления отклонения от оптимального. Например, в самом процессе похолодания изначально заложен механизм его нейтрализации (формирование над Антарктидой области высокого давления, изменение североатлантического течения и др.). Естественно, при постоянстве поступления энергии от Солнца.
С нашей точки зрения наличие глобальной тенденции (цикл – сотни тысяч и миллионов лет) к потеплению или похолоданию не исключает региональных разнонаправленных колебаний средней температуры с периодом в несколько сотен или тысяч лет, например, внутри голоцена.
Отмечаемые в литературе резкие колебания температуры, пугающие нас, характерны для конкретного региона. Учитывая уникальное свойство биосферы взаимного гашения колебаний, следует ожидать существенное сглаживание резких отклонений температуры при глобальном усреднении (например, по полушариям).
В научных дискуссиях имеет место вопрос о правомочности использования локальных палеоданных для реконструкции климата региона, континента, Земли. Это касается палеоданных, полученных в результате изучения гляциологических, геологических и биологических источников. Так, на сервере www.newchrono.ru была помещена статья  С.А.Чумичёва “Климат голоцена по естественнонаучным данным и его отражение в исторических хрониках: корни системных противоречий”, в которой отмечается несоответствие сообщений о климатических условиях, содержащиеся в древних письменных источниках, климатическим условиям тех эпох. Автор сравнивает исторические упоминания о климате на Черноморском побережье,  юге Европы,  Мертвом море,  Северо-Западной Африки с реконструированными температурными данными, полученными с Гренландского ледникового щита (скважина GISP2). Статья вызвала оживленную дискуссию, доходящую до взаимного оскорбления (http://book.by.ru). Однако никто не сделал математического анализа для сравнения синхронности изменения климата.
Согласно геотермическим исследованиям в Южной Сибири на фоне роста температуры с 1200 г. имеется резкое и сильное похолодание в интервале 1700-1900 гг.,  которое не обнаруживается  в северных районах Западной Сибири, где наблюдается непрерывное потепление за последние 500 лет (Деревянко, Ваганов, Грачев, 2001).
Для выявления региональных особенностей колебаний климата мы  совместили на одном графике найденные в литературе данные об изменчивости климата в голоцене для Прибайкалья и Минусинской котловины (рисунок 5.1).    При отсутствии общей синхронности четко прослеживается  вектор движения климата в сторону потепления. Отмечаются  периоды с противоположными векторами. Количество осадков изменяется незначительно.

Рисунок 5.1 - Корреляция климатических условий степ­ных ландшафтов Сибири в голоцене (Демиденко, 2000)
Для математического выражения синхронности нами по опубликованным данным проведен корреляционный анализ. Высокая синхронность в изменении температуры отмечена при глобальном обобщении (r>0.60) (таблица 5.1). Для регионов (Прибайкалье) характерна более высокая индивидуальность в изменении климата.
Таблица 5.1 - Коэффициенты корреляции между средними температурами для разных частей Земли в голоцене

Регион и источник информации	1 Обобщенная глобальная температур поверхности Земли (Глобальное потепление, 1993)	2 Северное полушарие (Клименко, Климанов, Федоров, 1996)	3 Температура поверхности океана (Indermuhle et al.,  1999)	4 Прибайкалье (Воробьева, 1990)
1	1,00
2	0,60	1,00
3	0,62	0,68	1,00
4	0,37	0,42	0,59	1,00

Совершенно другие результаты получены при включении в анализ данных по температуре приземного слоя воздуха отдельных районов северных широт (таблица 5.2). Чрезвычайно низкие коэффициенты корреляции свидетельствуют о слабой синхронности изменения температуры в северных регионах. Однако наряду с нашим предположением о значительной региональной изменчивости климата, в данном случае на результаты накладывается еще 2 фактора: разные методы реконструкции и ошибки, определяемые сложностью процессов образования источников палеоданных. В свою очередь сглаживание, наряду с уменьшением доли ошибок, сопровождается нивелированием региональной изменчивости. В большей степени проявляются глобальные закономерности изменения климата. В таблице 1. сглаживание осуществлялось с периодом 100 (0-2000 гг.) и 500 лет (8000 до н.э.-0 гг.) и в результате достаточно высокая синхронность изменения температуры, особенно при глобальном обобщении (Северное полушарие: Земля, мировой океан).

Таблица 5.2 - Корреляционная матрица для оценки синхронности изменения температуры приземного слоя воздуха (сглаживание по 5-летней) в арктических широтах с 1615 по 1980 гг. (Европа: 1-2; Россия: 3-5; Аляска: 6-10; Западная Канада: 11-15; Центральная Канада: 19-20; Восточная Канада: 24-26; Гренландия: 27) (расчет произведен по данным  Overpeck et al., 1997)

Регион	1	2	3	4	5	6	7	9	10	11	14	15	19	20	24	26	27
1	1,00
2	0,03	1,00
3	0,17	0,19	1,00
4	0,17	0,19	1,00	1,00
5	0,11	0,30	0,17	0,17	1,00
6	0,31	-0,01	0,29	0,29	0,11	1,00
7	0,14	0,18	0,17	0,17	0,19	0,52	1,00
9	-0,22	0,12	0,14	0,14	0,05	0,13	0,17	1,00
10	0,29	0,15	0,45	0,45	0,00	0,59	0,53	0,19	1,00
11	0,08	0,13	0,36	0,36	0,16	0,32	0,37	0,20	0,46	1,00
14	0,20	0,12	0,09	0,09	0,05	0,28	0,34	0,20	0,61	0,30	1,00
15	0,11	0,19	0,46	0,46	-0,12	0,25	0,05	0,29	0,47	0,32	-0,02	1,00
19	0,00	0,13	0,09	0,09	0,15	0,24	0,15	0,14	0,24	0,05	0,11	0,10	1,00
20	0,09	0,23	-0,21	-0,21	0,32	0,24	0,30	-0,08	0,11	0,09	0,20	-0,12	0,13	1,00
24	0,24	0,01	0,14	0,14	0,03	0,30	0,27	-0,10	0,36	0,05	0,22	-0,09	0,31	0,17	1,00
26	0,21	0,16	0,13	0,13	0,01	0,11	0,20	0,29	0,21	0,07	0,33	0,13	0,12	-0,13	0,26	1,00
27	-0,18	0,06	0,02	0,02	-0,01	0,04	-0,01	-0,04	0,09	0,24	-0,14	0,24	-0,06	-0,19	-0,30	-0,10	1,00
28	0,30	-0,10	0,26	0,26	0,06	0,35	0,31	-0,08	0,45	0,29	0,25	0,11	0,13	-0,04	0,20	0,01	0,06

Устранение ошибок, возникающих при реконструкции климата, и качественный анализ региональных колебаний температуры возможен только за последние 100-150 лет с появлением сети метеостанций.
В таблице 3 приведены результаты корреляционного анализа ежегодных аномалий температуры приземного слоя воздуха Северного и Южного полушария. При таком глобальном обобщении, даже при отсутствии сглаживания проявляется  высокая синхронность изменения климата.

Таблица 5.3 - Корреляционная матрица для оценки синхронности изменения температуры приземного слоя воздуха Северного и Южного полушария (расчет произведен по данным  http://www.ngdc.noaa.gov)

Полушарие	Период	Северное полушарие
		1700-1901гг.		1902-1993 гг.
		годовая	теплый период	годовая	теплый период
Южное полушарие	годовая	0,65		0,84
	теплый период	-	0,97	-	0,75

Качественно другие закономерности проявляются при анализе синхронности изменения климата в отдельных районах (таблица  5.4). Существенная синхронность проявляется  только для близко расположенных районов. Например: Красноярск – севернее Красноярска; юг Африки - юг Индии - юг Ю. Америки.     

Таблица 5.4 - Корреляционная матрица для оценки синхронности изменения среднегодовой температуры приземного слоя воздуха в районах планеты   с 1902 г. (расчет произведен по данным  http://www.ngdc.noaa.gov)

	Район	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Север Европы 62,5 С.Ш., 12.5  В.Д.	1	1,00
Юг Австралии    32,5 Ю.Ш., 137,5 В.Д.	2	0,18	1,00
Юг Африки     32,5 Ю.Ш., 22,5 В.Д.	3	0,00	0,35	1,00
США      47,5 С.Ш., 82,5 З.Д.	4	-0,04	0,05	0,16	1,00
Юг Ю. Америки  32,5 Ю.Ш., 57,5 З.Д.	5	0,16	0,27	0,59	0,02	1,00
Гренландия  72,5 С.Ш., 22,5 З.Д.	6	0,26	-0,10	-0,10	-0,11	-0,18	1,00
Севернее Красноярска  57,5 С.Ш., 92,5 В.Д.	7	0,22	0,25	0,19	0,02	0,21	-0,22	1,00
район Красноярска     52,5 С.Ш.,  92,5 В.Д.	8	0,09	0,30	0,21	0,06	0,20	-0,26	0,91	1,00
Аляска 57,5 С.Ш., 157,5 З.Д.	9	-0,12	0,13	0,34	0,00	0,26	-0,02	0,06	0,03	1,00
Центральная  Америка       7,5 С.Ш., 72,5  З.Д.	10	-0,14	-0,01	0,51	0,18	0,31	-0,21	0,06	0,04	0,41	1,00
Юг Индии      12,5 С.Ш., 77,5 В.Д.	11	-0,19	0,40	0,55	0,22	0,34	-0,26	0,11	0,22	0,48	0,55

 

Таблица 5.5 - Корреляционная матрица для оценки синхронности изменения температуры приземного слоя воздуха в районах планеты для теплого периода  с 1902 г. (расчет произведен по данным  http://www.ngdc.noaa.gov)

	Район	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Север Европы 62,5 С.Ш., 12.5  В.Д.	1	1,00
Юг Австралии    32,5 Ю.Ш., 137,5 В.Д.	2	0,13	1,00
Юг Африки     32,5 Ю.Ш., 22,5 В.Д.	3	0,10	0,38	1,00
США     47,5 С.Ш., 82,5 З.Д.	4	0,03	0,12	0,14	1,00
Юг Ю. Америки  32,5 Ю.Ш., 57,5 З.Д.	5	0,18	0,19	0,48	-0,10	1,00
Гренландия  72,5 С.Ш., 22,5 З.Д.	6	0,24	-0,15	-0,17	-0,01	-0,09	1,00
Севернее Красноярска  57,5 С.Ш., 92,5 В.Д.	7	-0,22	-0,02	-0,04	-0,05	0,06	0,06	1,00
район Красноярска     52,5 С.Ш.,  92,5 В.Д.	8	-0,21	0,04	-0,05	-0,09	0,00	0,07	0,90	1,00
Аляска 57,5 С.Ш., 157,5 З.Д.	9	0,16	-0,07	0,09	0,00	0,10	-0,01	0,16	0,17	1,00
Центральная  Америка      7,5 С.Ш., 72,5  З.Д.	10	-0,01	0,03	0,42	0,16	0,22	-0,23	-0,06	-0,11	0,03	1,00
Юг Индии      12,5 С.Ш., 77,5 В.Д.	11	-0,09	0,45	0,46	0,25	0,23	-0,17	-0,10	-0,05	-0,11	0,47

Хорошее подтверждение при совмещении динамики ледового покрова Арктики и Антарктиды (рисунок 5.2). Прослеживается не только различная тенденция развития ледяного покрова (увеличение площади льда в Антарктиде и уменьшение в Арктике), но и значительная асинхронность колебания по отдельным годам.

Рисунок 5.2 - Динамика ледового покрова Арктики и Антарктиды (WMO, 2000)

В последние годы особое внимание исследователей палеоклимата привлекает бурение глубоких полярных ледниковых покровов. По данным ледниковых кернов можно получить непрерывный ряд количественых данных по важнейшим климатическим параметрам: температуре воздуха, осадкам, источникам влаги, силе ветра (Котляков, 2000).  Возникает возможность уникальных прямых записей изменения состава древней атмосферы, включая важнейшие газы, химические включения континентального и морского происхождения, следы иных компонентов и изотопов, вулканические аэрозоли.

Ледники, как и все природные воды на Земле, состоят из трех изотопных разновидностей воды. При этом более 99,7% приходит­ся на долю H2O, около 0,2% на Н218О и около 0,03% на HD16O. Воды океана имеют весьма постоянные концентрации тяжелых стабильных изотопов водорода и кислорода (D и 18О). Стандартная средняя океаническая вода (SMOW) принимает­ся в этом отношении в качестве эталона. Концентрации D и 180 в анализируемых пробах оцениваются в виде отклонений ? относи­тельно их концентрации в SMOW в тысячных долях (%о).
В целом изотопно-кислородный состав ледникового покрова, из которого мы получаем ледяной керн, формируется под влиянием ряда эффектов: климатически обуслов­ленная температура конденсации осадков; изотопный состав, температура поверхностных вод и уровень Мирового океана; высота ледникового покрова; перемещение льда; распреде­ление аккумуляции во времени и отношение количества зимних и летних осадков; метеорологическая история осаждения влажных воздушных масс, источник влаги и атмосферная цирку­ляция; местоположение площадки бурения и местные «шумы» (Котляков, 2000).   
Со­держание изотопов в отложенном снеге изменяется вместе с температурой, как в течение года, так и на протяжении более дли­тельных периодов времени, вплоть до многих тысячелетий. По­этому, изучая изотопный состав ледяного керна, мы получаем в руки инструмент для определения прошлой температуры.
Простая изотоническая модель Рейли показывает (Котляков, Гордиенко, 1982), что в средних и высоких широтах величи­на ? должна варьировать линейно с температурой. Эта связь хо­рошо подтверждена наблюдениями за современными осадками в Антарктике и Гренландии. Охлаждению на 1 °С приблизитель­но соответствует уменьшение доли тяжелых изотопов по сравне­нию со стандартным, характерным для морской воды: на 0,6-1,5%о для 18О и на 5-7%о для дейтерия. При этом, имея данные по со­держанию D и О, предпочтительнее использовать данные по во­дороду (Jouzel, Merlivat, 1984).

Наибольший интерес для реконструкции климата представляют скважины Восток (Антарктида) и GISP2 (Гренландия). Проведя сравнительный анализ T. Blunier  с коллегами (Blunier et al., 1998) исключает возможность нахождения климата Антарктиды и Гренландии в одной фазе.  Для получения оптимальной корреляции между антарктическими и гренландскими данными в период 45-23 тыс. лет до настоящего времени  ими предложен временной сдвиг антарктического сигнала на 1-2.5 тыс. лет вперед.
Непосредственная причина температурных изменений в центральной Гренландии - изменение атлантической термохалинной циркуляции (NADW), тесно связанной с дрейфом и таянием льда (Bond, Lotti, 1995). Таяние  сокращает глубоководные формации и инициирует похолодание в североатлантическом регионе. Похолодание затем замедляет таяние и дает возможность возродиться NADW, быстро приносящему тепло в Северную Атлантику  (Bond et al., 1993). Температура нарастает, что вновь ведет к усилению сброса пресной воды в Северную Атлантику и постепенное прекращение формирования NADW (Stocker, Wright, 1998). В свою очередь активизация NADW ведет к охлаждению Южного полушария (Stocker et al., 1992).
В полностью ледниковых условиях температура Антарктиды и Гренландии, а также термохалинная циркуляция и антарктическая температура поверхности циркумполярных морей связаны очень слабо (Charles, 1996). Слабая связь полушарий происходит, когда атлантическая термохалинная циркуляция затухает и ведет к меньшему обмену водой с Южным океаном, и соответственно, слабее влияет на тепловой баланс в южных широтах. Если слабая атлантическая термохалинная циркуляция выключается, север все еще испытывает сильное похолодание, но его влияние на климат юга уменьшается. Предположительно, это  происходит при коротких Dansgaard-Oeschger событиях, которые не отражаются в антарктических данных.
Потепление в Антарктике имеет тенденцию к сокращению плотности поверхностного слоя морской воды и, соответственно, плотности вновь сформировавшихся глубоководных комплексов. Это благоприятствует формированию NADW, и усиливает океаническую циркуляцию с тесной связью поверхностной температуры циркумполярных морей с атлантической термохалинной циркуляцией. Включение термохалинной циркуляции после событий ледового дрейфа ведет к наблюдаемому похолоданию в Антарктике, что опять ведет к ослаблению связи полушарий в течение нескольких тысяч лет.
Для синхронизации по времени (данные GISP2 с интервалом 20 лет; данные со станции Восток имеют разный интервал: 17 – 80 лет) нами была проведена интерполяция данных. Данные корреляционного анализа представлены в таблице 4.

Таблица 5. 6 - Синхронность изменения температуры приземного слоя воздуха (по изотопным данным) в Антарктиде (Восток) и Гренландии (GISP2) в течение 16540 лет назад (с шагом 20 лет) of  (расчет произведен по данным  ftp: //ftp.ngdc.noaa.gov).

Показатель	Период времени, включенный в анализ, лет («0» - 1980 г.)
	0-16520	0-1000	0-2000	0-9000	0-13000	10000-13000	11000-16520	12000-16520	14000-16520
Коэффициент корреляции	0,74	-0,02	0,04	-0,06	0,49	0,83	0,52	0,40	0,59

Из таблицы следует, что синхронность характерна только для глобальных периодов изменения климата (окончание валдайского материкового оледенения  - начало голоцена) и отсутствуют в период относительной стабильности климата. Это подтверждает наше предположение о синхронности изменения климата на Земле только при смене климатических эпох (ледниковый - межледниковый период) с периодом десятки и сотни тысяч лет.

На рисунке 5.3 приведена обобщенная информация о температурных трендах за период 1901-1999 гг. Говорить даже о незначительном повышении температуры в 20 веке можно лишь с рядом оговорок. Во-первых измерения охватывают далеко не всю Землю. Во-вторых 100 лет очень короткий промежуток наблюдений. В-третьих большинство метеостанций размещены в непосредственной близости от крупных городов с повышенным термическим режимом.

Рисунок  5.3 -  Изменение среднегодовой температуры в 20 веке (Jones et al., 2001).

В ряде работ отмечается компенсационный характер изменения, например осадков. Установлено, что в США и бывшем СССР  в последние 30-40 лет выпадает осадков на 10 % больше, чем в прошлом (К  ). В то же время количество осадков над экватором сократилось на те же 10 %.
В динамике осадков наблюдается значительно большие колебания определяемые региональной составляющей (рисунок 5.4). Это также является одной из причин низкой корреляции между индексами радиального прироста и увлажненностью (в случае удаленности изучаемого объекта от метеостанции).

Рисунок 5.4 - Изменения относительной увлаженности (%) в осенне-зимний (а), зимне-весенний (б) и летний (в) периоды для районов, расположенных в окрестностях соответствующих метеостанций (Мазепа, 1999).

Исключительно высокая способность климата Земли к саморегуляции определяется из анализа солнечной активности. Поток энергии от Солнца на Землю составляет 1370 Вт на 1 м2, или 1,95 калории на 1 см2 за каждую минуту. Эта ве­личина является солнечной постоянной. Возможно, что сол­нечная постоянная менялась на протяжении жизни нашей пла­неты: астрофизики считают, что за время существования Земли (4,6 млрд. лет) поток солнечной радиации возрос на 25—30 %. Естественно, что такой постепенный рост светимости никак не может объяснить чередование холодных и теплых эпох на Земле. Казалось бы, что такое возрастание светимости, наоборот, должно было бы вызвать постепенный разогрев планеты, чего однако тоже не произошло, хотя некоторые модели климата свидетельствуют о том, что уве­личение светимости Солнца на 1 % должно приводить к повы­шению температуры на поверхности Земли примерно на 1 °С  (Лосев, 1985).
Возможно, что уровень и продолжительность потепления в ХХ веке значительнее, чем в любой иной период 2-го тысячелетия. 1990-е годы представляются самым жарким десятилетием тысячелетия в Северном полушарии. Новый детализированный свод данных по Северному полушарию показан на рисунке 5 (Technical summary climate change 2001: A Report of Working Group I, 2001). Данные демонстрируют сравнительно теплый период, ассоциируемый с XI-XIV столетиями, и относительно холодный – с XV-XIX веками в Северном полушарии. Тем не менее, нет свидетельств в поддержку того, что эти «средневековое потепление» и «малый ледниковый период» синхронно имели место по всей планете. Как следует из рисунка 5, уровень и продолжительность потепления в Северном полушарии в ХХ веке выглядят беспрецедентными в ходе этого тысячелетия, и не могут рассматриваться просто как реакция на «малый ледниковый период» XV-XIX веков.

Рисунок 5.5 - Реконструкция среднегодовой температуры для северного полушария (сглаживание по 40-летней) (Mann et al., 1999).
Со, относительно 1961-1990

Из-за отсутствия достаточного количества палеоданных, меньше известно о среднегодовых величинах температуры в Северном полушарии до 1000  года и до 1861 года в Южном полушарии.  Имеются данные, что значительные быстрые десятилетние изменения температуры имели место в течение последнего ледникового и послеледникового периодов (100 000 – 10 000 лет назад), в частности в высоких широтах Северного полушария. В некоторых местах в послеледниковый период локальный рост температур в 5-10 градусов имел место в период, сравнимый с десятилетием. За последние 10 тыс. лет имеются свидетельства значительных быстрых региональных изменений температуры, являющихся частью естественной (менее значительной) изменчивости климата.

При ожидаемом увеличении в будущем средних температур у поверхности Земли, следует ожидать увеличение региональной изменчивости климата (асинхронность, амплитуда колебаний) – как механизм поддержания устойчивости биосферы. В целом региональная мозаичность климата, наряду  с мозаичностью рельефа определяет и формирование сложной гетерогенной биосферы, более устойчивой   к внешним возмущающим факторам (извержение вулканов, вспышки массового размножения насекомых, лесные пожары и др.)