Coraz wyraźniej widać, że przedłużające się susze, rekordowe upały, utrzymujące się pożary i częste, bardziej ekstremalne burze doświadczane w ostatnich latach są bezpośrednim skutkiem wzrostu globalnych temperatur spowodowanych dodawaniem przez ludzi dwutlenku węgla do atmosfery. Nowe badanie MIT dotyczące ekstremalnych zjawisk klimatycznych w starożytnej historii Ziemi sugeruje, że dzisiejsza planeta może stać się bardziej niestabilna w miarę dalszego ocieplania się. Badanie, które ukazało się dzisiaj w Science Advances, analizuje zapis paleoklimatyczny z ostatnich 66 milionów lat, w erze kenozoicznej, która rozpoczęła się wkrótce po wyginięciu dinozaurów. Naukowcy odkryli, że w tym okresie wahania klimatu Ziemi doświadczały zaskakującego „ocieplenia”. Innymi słowy, było znacznie więcej wydarzeń związanych z ociepleniem – okresów przedłużającego się globalnego ocieplenia, trwających od tysięcy do dziesiątek tysięcy lat – niż ochłodzenie. Co więcej, wydarzenia związane z ociepleniem były zwykle bardziej ekstremalne, z większymi zmianami temperatury, niż wydarzenia związane z ochłodzeniem. Naukowcy twierdzą, że możliwym wyjaśnieniem tego błędu cieplnego może być „efekt mnożnikowy”, w którym niewielki stopień ocieplenia – na przykład z wulkanów uwalniających dwutlenek węgla do atmosfery – w naturalny sposób przyspiesza pewne procesy biologiczne i chemiczne, które je wzmacniają. wahania, prowadzące średnio do jeszcze większego ocieplenia. Co ciekawe, zespół zaobserwował, że to nastawienie na ocieplenie zniknęło około 5 milionów lat temu, mniej więcej w czasie, gdy na półkuli północnej zaczęły formować się pokrywy lodowe. Nie jest jasne, jaki wpływ miał lód na reakcję Ziemi na zmiany klimatu. Jednak wraz z cofaniem się dzisiejszego lodu w Arktyce, nowe badanie sugeruje, że efekt mnożnikowy może powrócić, a rezultatem może być dalsze wzmocnienie wywołanego przez człowieka globalnego ocieplenia. „Pokrywy lodowe na półkuli północnej kurczą się i mogą potencjalnie zniknąć jako długofalowa konsekwencja ludzkich działań” – mówi główny autor badania, Constantin Arnscheidt, absolwent Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetarnej MIT. „Nasze badania sugerują, że może to sprawić, że klimat Ziemi będzie zasadniczo bardziej podatny na ekstremalne, długoterminowe zjawiska globalnego ocieplenia, takie jak te obserwowane w geologicznej przeszłości”. Współautorem badania Arnscheidta jest Daniel Rothman, profesor geofizyki na MIT oraz współzałożyciel i współdyrektor Centrum Lorenz w MIT.
Niestabilny push
W celu przeprowadzenia analizy zespół skonsultował się z dużymi bazami danych osadów zawierających głębinowe otwornice bentosowe – jednokomórkowe organizmy, które istnieją od setek milionów lat i których twarde skorupy są zachowane w osadach. Na skład tych muszli wpływa temperatura oceanu w miarę wzrostu organizmów; muszle są zatem uważane za wiarygodne przybliżenie starożytnych temperatur na Ziemi. Przez dziesięciolecia naukowcy analizowali skład tych muszli, zebranych z całego świata i datowanych na różne okresy, aby śledzić zmiany temperatury Ziemi na przestrzeni milionów lat. „Kiedy wykorzystujemy te dane do badania ekstremalnych zjawisk klimatycznych, większość badań skupia się na pojedynczych, dużych skokach temperatury, zwykle o kilka stopni Celsjusza ocieplenia” – mówi Arnscheidt. „Zamiast tego staraliśmy się spojrzeć na ogólne statystyki i wziąć pod uwagę wszystkie związane z nimi fluktuacje, zamiast wybierać te duże”. Zespół najpierw przeprowadził analizę statystyczną danych i zaobserwował, że w ciągu ostatnich 66 milionów lat rozkład wahań globalnej temperatury nie przypominał standardowej krzywej dzwonowej, z symetrycznymi ogonami reprezentującymi jednakowe prawdopodobieństwo skrajnego ciepła i skrajnego chłodu. wahania. Zamiast tego krzywa była wyraźnie pochylona, przekrzywiona w kierunku bardziej ciepłych niż chłodnych wydarzeń. Krzywa wykazywała również zauważalnie dłuższy ogon, reprezentujący ciepłe wydarzenia, które były bardziej ekstremalne lub miały wyższą temperaturę niż najbardziej ekstremalne zimne wydarzenia. „To wskazuje, że istnieje pewien rodzaj wzmocnienia w stosunku do tego, czego można by się spodziewać w innym przypadku” – mówi Arnscheidt. „Wszystko wskazuje na coś fundamentalnego, co powoduje ten nacisk lub nastawienie na ocieplenie”. „Można śmiało powiedzieć, że system Ziemi staje się bardziej niestabilny w sensie ocieplenia” – dodaje Rothman.
Ocieplający mnożnik
Zespół zastanawiał się, czy to ocieplenie mogło być wynikiem „hałasu multiplikatywnego” w cyklu klimatyczno-węglowym. Naukowcy od dawna rozumieją, że wyższe temperatury, do pewnego momentu, przyspieszają procesy biologiczne i chemiczne. Ponieważ cykl węglowy, który jest kluczowym czynnikiem długoterminowych wahań klimatu, sam w sobie składa się z takich procesów, wzrost temperatury może prowadzić do większych wahań, kierując system w stronę ekstremalnych zjawisk ocieplenia. W matematyce istnieje zbiór równań opisujących takie ogólne efekty wzmacniające lub multiplikatywne. Naukowcy zastosowali tę multiplikatywną teorię do swojej analizy, aby sprawdzić, czy równania mogą przewidywać asymetryczny rozkład, w tym stopień jego pochylenia i długość jego ogonów. W końcu odkryli, że dane i zaobserwowane nastawienie na ocieplenie można wyjaśnić teorią multiplikatywną. Innymi słowy, jest bardzo prawdopodobne, że w ciągu ostatnich 66 milionów lat okresy umiarkowanego ocieplenia były średnio dodatkowo wzmacniane przez efekty mnożnikowe, takie jak reakcja procesów biologicznych i chemicznych, które dodatkowo ocieplały planetę. W ramach badań naukowcy przyjrzeli się również korelacji między przeszłymi zjawiskami ocieplenia a zmianami orbity Ziemi. W ciągu setek tysięcy lat orbita Ziemi wokół Słońca regularnie staje się mniej lub bardziej eliptyczna. Ale naukowcy zastanawiali się, dlaczego wiele przeszłych wydarzeń związanych z ociepleniem wydaje się zbiegać z tymi zmianami i dlaczego te wydarzenia charakteryzują się nadmiernym ociepleniem w porównaniu z tym, co zmiana orbity Ziemi mogła spowodować sama. Tak więc Arnscheidt i Rothman włączyli zmiany orbitalne Ziemi do modelu multiplikatywnego i ich analizy zmian temperatury Ziemi i odkryli, że efekty mnożnikowe mogą w przewidywalny sposób wzmacniać średnio niewielkie wzrosty temperatury spowodowane zmianami orbity Ziemi. „Klimat ogrzewa się i ochładza synchronicznie ze zmianami orbitalnymi, ale same cykle orbitalne przewidywałyby jedynie niewielkie zmiany klimatu” – mówi Rothman. „Ale jeśli weźmiemy pod uwagę model multiplikatywny, wówczas niewielkie ocieplenie w połączeniu z efektem mnożnikowym może skutkować ekstremalnymi zdarzeniami, które mają tendencję do występowania w tym samym czasie, co te zmiany orbitalne”. „Ludzie wymuszają system w nowy sposób”, dodaje Arnscheidt. „A to badanie pokazuje, że kiedy zwiększymy temperaturę, prawdopodobnie wejdziemy w interakcję z tymi naturalnymi, wzmacniającymi efektami”. Badania te były częściowo wspierane przez Szkołę Naukową MIT.