ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 6, с. 708-712
= ГЕОФИЗИКА
УДК 551.583
ВЗАИМНОЕ ЗАПАЗДЫВАНИЕ МЕЖДУ ИЗМЕНЕНИЯМИ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ В ПРОСТОЙ СОВМЕСТНОЙ МОДЕЛИ КЛИМАТА
И УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА
© 2015 г. К. Е. Мурышев, А. В. Елисеев, член-корреспондент РАН И. И. Мохов, A. В. Тимажев
Поступило 17.04.2015 г.
Показано, что запаздывание изменений концентрации углекислого газа в атмосфере q относительно изменений глобальной приповерхностной температуры Т, полученное по данным палеорекон-струкций, воспроизводится в рамках общепринятых климатических моделей и не противоречит выводам о ключевой роли антропогенного парникового эффекта в современных изменениях климата. Также получено, что зависимость растворимости СО2 в океане от температуры не меняет принципиальным образом взаимное запаздывание между q и Т при внешнем воздействии на систему.
Б01: 10.7868/80869565215240214
Определение роли естественных и антропогенных факторов современных изменений климата — одна из ключевых проблем XXI века. Цель данной работы — оценить, в какой степени о причинно-следственных связях в земной климатической системе (ЗКС) можно судить по временным сдвигам рядов данных, в частности, данных для температуры и содержания СО2 в атмосфере.
По данным ледовых кернов, на основании которых реконструируются изменения климата в плейстоцене, в частности ледниковые циклы, отмечено общее запаздывание изменений содержания углекислого газа в атмосфере q относительно изменений приповерхностной температуры Т (см., например, [1—3]). Нередко отмеченное по палеоданным общее запаздывание q относительно Т считается аргументом против утверждения, что современное глобальное потепление обусловлено парниковым эффектом антропогенного увеличения q. При анализе данных наблюдений для 1980—2010 гг. в [4] также отмечено запаздывание q относительно Т и на этом основании сделан вывод, что антропогенные эмиссии парниковых газов не являются причиной современного потепления климата.
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук, Москва Институт прикладной физики Российской Академии наук, Нижний Новгород E-mail: kmuryshev@ifaran.ru
Следует отметить, что ледниковые циклы связываются с изменениями параметров орбиты Земли — так называемыми циклами Миланкови-ча с характерными периодами около 100, 40 и 20 тыс. лет: в связи с орбитальными вариациями меняется климат (в частности, температура), а температурные изменения способствуют вариациям содержания в атмосфере парниковых газов. Последние, в свою очередь, влияют на температурные изменения. Подобное может проявляться и при других радиационных возмущающих воздействиях.
Вариации концентрации СО2 в атмосфере могут происходить, в том числе, за счет изменения растворимости этого газа в морской воде при изменении температуры. При потеплении СО2 выделяется в атмосферу из океана, и в этой связи увеличение концентрации СО2 в атмосфере в ХХ в. иногда трактуется как следствие, а не как причина происходящего глобального потепления.
В данной работе показано, что отмеченные взаимные запаздывания между изменениями температуры и концентрации углекислого газа в атмосфере не противоречат выводам о ключевой роли антропогенного парникового эффекта для современных изменений климата [1, 5]. В частности, получено, что зависимость растворимости СО2 в океане от температуры не меняет принципиальным образом взаимное запаздывание между q и Т при внешнем воздействии на систему.
Рассматривается глобально осредненная модель климата с углеродным циклом, учитывающая общепринятые механизмы влияния радиационного возмущающего воздействия (в том числе парникового) на состояние климата и взаимодействие между климатом и углеродным циклом:
теротрофного дыхания (дыхания растений и почвы) соответственно. В свою очередь,
5 = Е(1) рве ^аМ,
йг
о
йг
= 1
ве
й(Шь + И,) =
, 1 ¡апй",
йг
с<Т = Я^1 + 51 - хт + ад. йг у 5о)
(1) (2)
(3)
(4)
Рос = РоХ(Р) | 5 -ат, 5) ^ О |,
(5)
= Р — вя — эя,
р = Штр, ВЯ = ЛкИь0Рь,
Здесь q — отклонение содержания СО2 в атмосфере от начального (доиндустриального) значения q0 = 590 Гт С (что соответствует концентрации 278 млн-1); Б — соответствующее отклонение запаса углерода в океане; Мь и М, — соответствующие отклонения запаса углерода в растительности и почве соответственно; т - отклонение температуры; Е(1) — внешние (в том числе антропогенные) эмиссии СО2 в атмосферу; 1ве — поток СО2 из атмосферы в океан; 11а„а — поток СО2 из атмосферы в наземные экосистемы; С = 109 Дж • м—2 • К—1 — теплоемкость единицы площади земной поверхности; Ях = 5.3 Вт/м2 (соответствует радиационному возмущающему воздействию при удвоении содержания СО2 в атмосфере, которое составляет 3.7 Вт • м—2), X = (0.8—2.5) Вт • м—2 • К1 — коэффициент климатической чувствительности, ЯТ(1) — радиационное возмущающее воздействие (РВВ).
Поток СО2 из атмосферы в океан рассчитывается при помощи модели Бакастоу с буферным фактором, зависящим от температуры и содержания СО2 в атмосфере [6, 7]:
где 1 0 — коэффициент, определяемый из условия соответствия потока 1ве данным наблюдений для XX в. [1] при соответствующих граничных условиях для q и Т (10 = (2.5—4.5) • 10—2 Гт С • год—1); Х(Т) — характеристика растворимости СО2 в морской воде; ^ — буферный фактор, Б0 = 1.5 • 105 1т С.
Поток СО2 из атмосферы в наземные экосистемы рассчитывается по схеме [8]
(6)
где Р — поглощение СО2 за счет фотосинтеза, ВЯ и ЭЯ — выделение СО2 за счет автотрофного и ге-
(7)
(8)
БЯ = ЛКИ$Р, (9)
где Ар = 0.1818 Гт С • год—1, Ая = 0.0909 год—1, gJ{q) — функция, характеризующая процесс фертилиза-ции наземной растительности углекислым газом атмосферы, 0р = 1.04, 0ь = 1.08, 0, = 1.09 [9].
С моделью проведены численные эксперименты при различных значениях входящих в уравнения параметров и различных типах периодического воздействия:
1) периодических (синусоидальных) эмиссиях СО2 в атмосферу Е(1) =Е08т(юЕ 1) и нулевом РВВ Я^) = 0;
2) периодическом (синусоидальном) РВВ Ят(1) = Я08т(юя?) и нулевых эмиссиях СО2 в атмосферу Е(1) = 0 (эти эксперименты подобны проанализированным в [10]);
3) периодическом (синусоидальном) РВВ Ят(1) = Я08т(юЯ?) и экспоненциальных эмиссиях
СО2 в атмосферу Е(г) = Е0ехр—. При этом типе
Т Е
воздействия моделируется ситуация для последних десятилетий XX в.
Анализировалось взаимное запаздывание (фазовый сдвиг) Д^ между изменениями Т и q. Подобно [2, 4] величина Дт^ определялась по максимуму коэффициента корреляции со сдвигом по времени между рядами Т и q, а также дополнительно между рядами их первых разностей ^^ +1) — q(i)) и (Т(1 + 1) — Т(0), i — модельный год. Характерные значения максимального коэффициента корреляции для случаев 1) и 2) составляют не менее 0.95. В случае 3) эти значения несколько меньше, но также статистически значимы.
В случае 1) Т отстает по фазе от q при любых значениях параметров (ДТд < 0) (рис. 1). При увеличении периода внешнего воздействия Р = —
Юе
значение запаздывания ДТасимптотически стремится к величине (23 года), характеризующей термическую инерцию ЗКС.
В случае 2) Т может как отставать по фазе от q, так и опережать ее в зависимости от периода
2 П
внешнего воздействия Р = —: при периодах РВВ
Юя
от года до сотен лет q запаздывает относительно Т (ДТ1} > 0), при периодах от сотен до десятков тысяч лет Т запаздывает относительно q (ДТ1} < 0), при значениях периодов, приближающихся к сотням тысяч лет, снова отмечается запаздывание q относительно Т, впрочем, незначительное по отношению к величине периода Р (рис. 2).
Д Р
Рис. 1. Отношение запаздывания Л изменений концентрации СО2 в атмосфере относительно эмиссий СО2 (1), изменений температуры относительно эмиссий СО2 (2), изменений концентрации СО2 в атмосфере относительно изменений температуры (3) к периоду внешних эмиссий Р при периодических (синусоидальных) эмиссиях СО2 в атмосферу в зависимости от периода эмиссий Р.
Запаздывание q относительно Т на разных временных масштабах проявлялось также в [10]. Однако запаздывание Т относительно q на вековых и тысячелетних масштабах в [10] не проявлялось. Последнее может быть связано с менее детальным учетом характеристик инерционности наземного резервуара углерода в предлагаемой модели по сравнению с [10].
Следует отметить, что и по данным ледовых кернов при более детальном анализе наряду с общим запаздыванием изменений q относительно изменений Т для ледниковых циклов, периоды которых оцениваются величиной около 100 тыс. лет, проявляются противоположные фазовые сдвиги для мод с периодами около 40 тыс. лет и менее [2, 3].
Для случая 2) были также проведены численные эксперименты, в которых при расчете потока СО2 в океан (см. (5)) использовались фиксированные значения буферного фактора £ и растворимости СО2 в морской воде %. Если пренебречь зависимостью от температуры растворимости и констант других химических реакций, участвующих в неорганическом карбонатном цикле океана, качественно проявление взаимного запаздывания не меняется. Это согласуется с выводами о доминирующей роли антропогенных эмиссий в накоплении СО2 в атмосфере в современный период в связи с выделением этого газа океаном при потеплении.
В случае 3) фазовый сдвиг определялся только по коэффициенту корреляции между рядами пер-
Д Р
Рис. 2. Отношение запаздывания изменений концентрации СО2 в атмосфере относительно РВВ (1), изменений температуры относительно РВВ (2), изменений концентрации СО2 в атмосфере относительно изменений температуры (3) к периоду РВВ Р при периодическом (синусоидальном) РВВ в зависимости от периода РВВ Р на разных временных масштабах.
вых разностей, поскольку коэффициент корреляции между рядами q и Т не имеет ярко выраженного максимума (на протяжении всего численного эксперимента происходит рост q и Т с наложенными на него малыми колебаниями, обусловленными периодическим радиационным форсингом). При этом проявление взаимного запаздывания аналогично отмеченному для случая 2).
Полученный результат может быть обобщен на широкий класс периодических воздействий (в частности, с разложением в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.