В « Тихой весне» Рэйчел Карсон рассматривает западную полынь. «Здесь природный ландшафт красноречиво свидетельствует о взаимодействии сил, которые его создали», - пишет она. «Она распространяется перед нами как страницы открытой книги, в которой мы можем прочитать, почему земля такая, какая она есть, и почему мы должны сохранять ее целостность. Но страницы лежат непрочитанными ». Она оплакивает исчезновение угрожаемого ландшафта, но с тем же успехом может говорить о маркерах палеоклимата.
Чтобы знать, куда вы идете, вы должны знать, где вы были. Это особенно верно для климатологов, которым необходимо понять весь спектр изменений планеты, чтобы наметить курс нашего будущего. Но без машины времени, как они получают такие данные?
Как и Карсон, они должны читать страницы Земли. К счастью, Земля сохранила дневники. Все, что опускает ежегодные слои - океанские кораллы, пещерные сталагмиты, долгоживущие деревья, крошечные морские существа в оболочках - достоверно фиксирует условия прошлого. Чтобы пойти дальше, ученые драгируют ядра донных отложений и ледяные ядра со дна океана и ледяных полюсов, которые пишут свои собственные мемуары в взрывах пепла и пыли и пузырьках давно пойманного газа.
Таким образом, в некотором смысле у нас есть машины времени: каждый из этих прокси-серверов рассказывает немного другую историю, которую ученые могут сплести вместе, чтобы сформировать более полное понимание прошлого Земли.
В марте Национальный музей естественной истории Смитсоновского института провел трехдневный симпозиум по истории температуры Земли, на котором собрались учителя, журналисты, исследователи и общественность, чтобы углубить свое понимание палеоклимата. Во время вечерней лекции Гэвин Шмидт, специалист по моделированию климата и директор Института космических исследований имени Годдарда при НАСА, и Ричард Элли, всемирно известный геолог из Университета штата Пенсильвания, рассказали, как ученые используют прошлый климат Земли для улучшения климатических моделей, которые мы используем для прогнозирования. наше будущее.
Вот ваш путеводитель по климату Земли - не только то, что мы знаем, но и то, как мы это знаем.
Как мы смотрим на прошлый климат Земли?
Требуется немного творчества, чтобы восстановить прошлые воплощения Земли. К счастью, ученые знают основные природные факторы, которые формируют климат. Они включают извержения вулканов, пепел которых блокирует солнце, изменения на орбите Земли, которые смещают солнечный свет в разные широты, циркуляцию океанов и морского льда, расположение континентов, размер озоновой дыры, взрывы космических лучей и вырубку лесов. Из них наиболее важными являются парниковые газы, улавливающие солнечное тепло, особенно углекислый газ и метан.
Как отметил Карсон, Земля фиксирует эти изменения в своих ландшафтах: в геологических слоях, ископаемых деревьях, окаменелых ракушках, даже в кристаллизованной крысиной моче - в основном все, что действительно старо, сохраняется. Ученые могут открыть эти страницы дневника и спросить их, что происходило в то время. Кольца деревьев особенно старательны, записывая количество осадков в годичных кольцах; ледяные керны могут вести изящно подробные отчеты о сезонных условиях на протяжении почти миллиона лет.
Ледяные ядра показывают ежегодные слои снегопада, вулканического пепла и даже остатки давно умерших цивилизаций. (Годдард / Людовик Брукер из НАСА) Что еще может сказать ледяное ядро?
«Ого, так много», - говорит Элли, который провел пять полевых сезонов, добывая лед с гренландского ледяного покрова. Подумайте, что на самом деле представляет собой ледяное ядро: поперечное сечение слоев снега, уходящего в глубь тысячелетий.
Когда снег покрывает землю, он содержит небольшие воздушные пространства, заполненные атмосферными газами. На полюсах старые слои погружаются и сжимаются в лед, превращая эти пространства в пузырьки прошедшего воздуха, как пишут исследователи Кейтлин Китинг-Битонти и Люси Чанг на Smithsonian.com. Ученые используют химический состав самого льда (соотношение тяжелых и легких изотопов кислорода в H2O) для оценки температуры. В Гренландии и Антарктиде такие ученые, как Аллея, извлекают невероятно длинные ледяные ядра - некоторые длиной более двух миль!
Ледяные ядра говорят нам, сколько снега выпало в течение определенного года. Но они также обнаруживают пыль, морскую соль, пепел от далеких вулканических взрывов и даже загрязнение, оставленное римской сантехникой. «Если он в воздухе, то во льду», - говорит Элли. В лучших случаях мы можем датировать ледяные ядра точным временем года и года, подсчитывая их годовые слои, например, годичные кольца. И ледяные ядра хранят эти изысканные детали, уходящие в глубину сотен тысяч лет, что делает их, что Аллея называет «золотым стандартом» палеоклиматических прокси.
Подождите, но разве история Земли не намного длиннее?
Да это правильно. Палеоклиматическим ученым нужно вернуться на миллионы лет назад, и для этого нам нужны вещи даже старше ледяных кернов. К счастью, жизнь имеет долгую историю. Ископаемые летописи сложной жизни восходит к 600 миллионам лет назад. Это означает, что у нас есть определенные признаки изменения климата, происходящие примерно так же далеко. Один из самых важных - это зубы конодонтов - вымерших угорьоподобных существ, которые насчитывают 520 миллионов лет.
Но некоторые из наиболее распространенных климатических параметров в это время еще более незначительны. Foraminifera (известные как «форамы») и диатомовые водоросли являются одноклеточными существами, которые, как правило, живут на дне морского дна, и часто не больше периода в конце этого предложения. Поскольку они разбросаны по всей Земле и существуют со времен юрского периода, они оставили учёные окаменелости, чтобы исследовать прошлые температуры. Используя изотопы кислорода в своих оболочках, мы можем восстановить температуру океана, восходящую более 100 миллионов лет назад.
«На каждом поворотном мысе, на каждом изогнутом пляже, на каждой песчинке есть история земли», - однажды написал Карсон. Эти истории, оказывается, также прячутся в водах, которые создали эти пляжи, и в существах, меньших, чем песчинка.
Фораминифер. (Эрнст Геккель) Насколько мы уверены в глубоком прошлом?
Для ученых, изучающих палеоклимат, жизнь имеет решающее значение: если у вас есть показатели жизни на Земле, вы можете интерпретировать температуру на основе распределения организмов.
Но когда мы зашли так далеко, что уже нет зубов, мы потеряли наш основной показатель. Прошлое, что мы должны полагаться на распределение отложений и маркеров прошлых ледников, которые мы можем экстраполировать, чтобы примерно указать климатические модели. Таким образом, чем дальше мы идем, тем меньше у нас прокси, и тем менее детальным становится наше понимание. «Это становится все туманнее и туманнее», - говорит Брайан Хубер, палеобиолог из Смитсоновского института, который помог организовать симпозиум вместе с коллегой-палеобиологом-исследователем и куратором Скоттом Вингом.
Как палеоклимат показывает нам важность парниковых газов?
Парниковые газы, как следует из их названия, работают, задерживая тепло. По сути, они в конечном итоге образуют изолирующее покрытие для Земли. (Вы можете больше узнать об основной химии здесь.) Если вы посмотрите на график прошлых ледниковых периодов, вы увидите, что уровни CO2 и ледниковые периоды (или глобальная температура) совпадают. Чем больше CO2, тем выше температура и меньше льда, и наоборот. «И мы знаем направление причинности здесь», отмечает Элли. «Это в основном от CO2 до (меньше) льда. А не наоборот."
Мы также можем оглянуться назад на конкретные снимки во времени, чтобы увидеть, как Земля реагирует на прошлые всплески СО2. Например, в период экстремального потепления в кайнозойскую эру Земли, около 55, 9 миллионов лет назад, было выпущено достаточно углерода, чтобы примерно удвоить количество CO2 в атмосфере. Последовавшие за этим жаркие условия привели к хаосу, вызвав массовую миграцию и вымирание; почти все, что жило, либо сдвинулось, либо вымерло. Растения завяли. Океаны подкислены и нагреты до температуры ванн.
К сожалению, это может быть предвестником того, куда мы идем. «Это то, что пугает модельеров климата», - говорит Хубер. «С такой скоростью, как мы идем, мы как бы возвращаемся к этим периодам экстремального тепла». Вот почему понимание роли углекислого газа в прошлых изменениях климата помогает нам прогнозировать будущие изменения климата.
Это звучит довольно плохо.
Ага.
Я действительно впечатлен тем, сколько у нас данных по палеоклимату. Но как работает модель климата?
Отличный вопрос! В науке вы не можете создать модель, если не понимаете основные принципы, лежащие в основе системы. Таким образом, сам факт того, что мы можем создавать хорошие модели, означает, что мы понимаем, как все это работает. Модель по сути является упрощенной версией реальности, основанной на том, что мы знаем о законах физики и химии. Инженеры используют математические модели для построения конструкций, на которые полагаются миллионы людей, от самолетов до мостов.
Наши модели основаны на базе данных, большая часть которых исходит от палеоклиматических прокси, собранных учеными со всего мира. Вот почему так важно, чтобы данные и модели общались друг с другом. Ученые проверяют свои прогнозы на данных из далекого прошлого и пытаются устранить любые возникающие расхождения. «Мы можем вернуться назад во времени и оценить и проверить результаты этих моделей, чтобы сделать более точные прогнозы относительно того, что произойдет в будущем», - говорит Шмидт.
Вот модель:
Это красиво Я слышал, что модели не очень точные, хотя.
По своей природе модели всегда ошибаются. Думайте о них как о приближении, наша лучшая догадка.
Но спросите себя: дают ли эти догадки больше информации, чем мы имели раньше? Предоставляют ли они полезные прогнозы, которых у нас иначе не было бы? Они позволяют нам задавать новые, лучшие вопросы? «Когда мы собираем все эти кусочки вместе, мы получаем нечто, очень похожее на планету», - говорит Шмидт. «Мы знаем, что это неполно. Мы знаем, что есть вещи, которые мы не включили, мы знаем, что мы вложили немного неправильные вещи. Но основные модели, которые мы видим в этих моделях, узнаваемы… как шаблоны, которые мы видим на спутниках все время ».
Значит, мы должны доверять им предсказывать будущее?
Модели точно воспроизводят модели, которые мы видим в прошлом, настоящем и, в некоторых случаях, будущем Земли. Сейчас мы находимся в точке, где мы можем сравнить ранние климатические модели - модели конца 1980-х и 1990-х, над которыми работала команда Шмидта в НАСА, - с реальностью. «Когда я был студентом, первые модели рассказывали нам, как будет тепло, - говорит Элли. «Это происходит. Модели являются как предсказательными, так и пояснительными: они работают ». В зависимости от того, где вы стоите, это может заставить вас сказать« О, боже! Мы были правы! »Или« О, нет! Мы были правы.
Чтобы проверить точность моделей, исследователи возвращаются к палеоклиматическим данным, которые Элли и другие собрали. Они запускают модели в далекое прошлое и сравнивают их с данными, которые у них действительно есть.
«Если мы сможем воспроизвести древний климат прошлого, где мы знаем, что произошло, это говорит нам о том, что эти модели являются действительно хорошим инструментом для нас, чтобы знать, что произойдет в будущем», - говорит Линда Ивани, ученый-палеоклимат в Сиракузском университете. Исследовательские доверенные лица Ивани - древние моллюски, чьи раковины регистрируют не только годовые условия, но и отдельные зимы и лета на протяжении 300 миллионов лет, что делает их ценным способом проверки моделей. «Чем лучше модели восстанавливают прошлое, - говорит она, - тем лучше они будут предсказывать будущее».
Палеоклимат показывает нам, что климат Земли резко изменился. Не означает ли это, что в относительном смысле сегодняшние изменения не имеют большого значения?
Когда Ричард Элли пытается объяснить серьезность антропогенного изменения климата, он часто ссылается на определенный ежегодный феномен: лесные пожары, которые каждый год вспыхивают на холмах Лос-Анджелеса. Эти пожары предсказуемы, цикличны, естественны. Но было бы сумасшествием говорить, что, поскольку пожары являются нормой, хорошо, когда поджигатели тоже поджигают. Точно так же тот факт, что климат изменился за миллионы лет, не означает, что искусственные парниковые газы не представляют серьезной глобальной угрозы.
«Наша цивилизация основывается на стабильном климате и уровне моря, - говорит Винг, - и все, что мы знаем из прошлого, говорит о том, что когда в атмосферу попадает много углерода, климат и уровень моря радикально изменяются».
После промышленной революции деятельность человека помогла согреть земной шар на 2 градуса по Фаренгейту, что составляет четверть от того, что Шмидт считает «единицей ледникового периода» - изменения температуры, которое проходит Земля между ледниковым периодом и не ледниковым периодом. Современные модели предсказывают потепление еще на 2-6 градусов Цельсия к 2100 году, по крайней мере, в 20 раз быстрее, чем прошлые потепления за последние 2 миллиона лет.
Конечно, есть неопределенность: «У нас может быть спор о том, слишком ли мы оптимистичны или нет», - говорит Элли. «Но не так много споров о том, слишком ли мы страшны или нет». Учитывая, насколько мы были правы раньше, мы должны игнорировать историю на свой страх и риск.
