ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 432, № 2, с. 260-263
ГЕОГРАФИЯ
УДК 551.324
О РОЛИ ОКЕАНА В ИЗМЕНЕНИЯХ КЛИМАТА ПЛЕЙСТОЦЕНА © 2010 г. Н. В. Вакуленко, академик В. М. Котляков, Ф. Ламберт, Д. М. Сонечкин
Поступило 30.12.2009 г.
Принято считать, что из-за огромной разницы в теплоемкостях атмосферы (Са1) и океана (Сос) поверхностный слой океана приспосабливается к быстро меняющимся условиям в приводном слое атмосферы в малых временных масштабах и, наоборот, атмосфера приспосабливается к океану в больших временных масштабах. Действительно, опишем тепловое взаимодействие атмосферы и океана в самом общем виде:
(Та, _ р (т Т ) С (То с
, , _ ра\( т аЪ т ос) , Сос , ,
_ рос( ТаЬ Тос) , (1)
где "быстрое" время ? выбрано так, что теплоемкость атмосферы является единичной, а теплоемкость океана в Сос раз большей. Тогда видно, что в масштабе "быстрого" времени температура океана практически не меняется
ЫТо,
(И
_ Сос рос ( ТаЬ Тос ) _ 6рос ( ТаЬ Тос ) ~ 0 ,
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Институт географии Российской Академии наук, Москва Физический институт Бернского университета, Швейцария
предполагают, что отношение теплоемкости океана к теплоемкости атмосферы на несколько порядков величины меньше, чем вышеуказанное. Возможно, это оправдано тем, что в задачах долгосрочного прогноза погоды важно взаимодействие атмосферы лишь с поверхностной пленкой океана, чья теплоемкость сравнительно мала. Если же выбрать для рассмотрения "медленное" время т = Сос?, то оказывается возможным переписать (1) в виде
(Т
_ Ра1( ТаЬ Тос ) ,
(Т
_ рос( ТаЬ Тос). (2)
ибо 6 = Со очень мало. В результате эволюцию температуры атмосферы вполне можно описывать, используя постоянную океаническую температуру, взятую из начальных условий
(Та, _ р (т Т )
а
Обычно считают, что теплоемкость деятельного слоя океана примерно в 104 раз больше теплоемкости атмосферы, так что подобное упрощение кажется допустимым даже для временных масштабов в десятки лет. Однако при современных прогнозах погоды пренебрегают изменениями теплового состояния поверхности океана только при заблаговременности прогноза не более недели. Для прогнозов же на месяц и сезон вперед считается уже необходимым учитывать изменения температуры поверхности океана. Таким образом, современные прогнозисты погоды неявно
1 <11 \ ио/ 7 7
( т ( т
Из первого уравнения следует, что температура атмосферы продолжает эволюционировать и в "медленном" времени, но при этом она подстраивается к температуре океана
Тй _ РаС(. Та1, Тос),
которая меняется в соответствии со вторым уравнением.
В данном исследовании нас интересовало, происходит ли действительно такое приспособление атмосферы к океану в масштабах чередования ледниковых и межледниковых периодов (десятки и сотни тысяч лет). Ясно, что при этом надо иметь в виду теплоемкость не только поверхностного слоя океана, но и глубокого океана, включая его придонные слои. С другой стороны, надо учесть большую теплоемкость континентальных ледниковых щитов. Прояснить этот вопрос можно, прослеживая взаимные упреждения и запаздывания косвенных палеоклиматических индикаторов океанической и континентальной подсистем глобальной климатической системы.
Мы и другие исследователи уже изучали это на примере временных изменений содержания дейтерия 5Э (косвенная характеристика средней глобальной температуры воздуха), солей натрия и пыли в керне российской антарктической станции "Восток" [1, 2]. В предположении, что изменения содержания натрия являются сигналом климатических изменений только в океанической подсистеме, а изменения содержания пыли — сигналом только континентальной подсистемы, было найдено, что изменения в океанической подсистеме происходили первыми, затем происходили изменения температуры и только потом происходи-
Рис. 1. Графики изменений за последние 740 тыс. лет значений вейвлетных преобразований нормированных рядов 8В и соответствующие временным масштабам 10, 23, 40 и 100 тыс. лет. Шкала ординат перевернута, так что максимумы графиков соответствуют малому содержанию 8В (теплые климатические условия) и малому содержанию
ли соответствующие изменения в континентальной подсистеме. Оставалось, однако, определенное сомнение в этом результате, поскольку континентальная подсистема также могла быть источником солей натрия.
За последнее десятилетие, в рамках Европейского проекта бурения ледникового щита Антарктиды, на станции Купол С получены керны, отражающие историю климата Земли за последние ~900 тыс. лет. В этих кернах видны восемь ледниковых циклов [3, 4]. Для анализа этих кернов европейскими учеными разработаны специальные методы [5—11], которые позволили выделить в рядах содержания натрия в керне, а также кальция, компоненты, относящиеся к каждой из подсистем.
Здесь мы представляем результаты сравнительного многомасштабного анализа колебаний средней глобальной приземной температуры воздуха, как они представлены в ряду дейтерия (5D), и колебаний в рядах той компоненты вариаций содержания натрия в керне станции Купол С ssNa (sea-salt Natrium), которая обязана изменениям в океанической подсистеме, и той компоненты вариаций содержания кальция nssCa (non sea-salt Calcium), которая обязана изменениям в конти-
нентальной подсистеме. Заметим, что для теплых межледниковых климатов характерно малое, а для холодных ледниковых климатов — относительно высокое содержание солей натрия и кальция. Поэтому на приводимых графиках шкалы ординат для их рядов перевернуты, чтобы соответствовать графику температуры воздуха. Наш анализ, как и в [2], основан на вейвлетном преобразовании рассматриваемых рядов (предварительно ряды были нормированы) с помощью вей-влетной функции — первой производной гауссиа-на. Эта вейвлетная функция чувствительна к линейным трендам в преобразуемых рядах, поэтому она особенно удобна для выявления моментов смены в рядах знака локальных трендов. Попарное и помасштабное сопоставление моментов этих смен в рядах ssNa и nssCa позволяет легче, чем средствами взаимного корреляционного анализа, определить — какая из климатических подсистем лидировала при каждом переходе от ледникового климата к межледниковью и обратно от межледниковья к следующему ледниковому климату.
Рис. 1 позволяет сравнить локальные тренды в ряду ssNa с соответствующими локальными трендами средней глобальной приземной температу-
262
ВАКУЛЕНКО и др.
Рис. 2. Графики изменений за последние 910 тыс. лет значений вейвлетных преобразований рядов ssNa и ш8Са, соответствующие временным масштабам 10, 23, 40 и 100 тыс. лет. Шкала ординат перевернута как и на рис. 1.
ры воздуха за 740 тыс. лет (в семи плейстоценовых ледниковых циклах). Первое, что обращает на себя внимание при рассмотрении графиков, относящихся к масштабу 100 тыс. лет, это явное лидирование ряда ssNa в переходах к потеплениям и похолоданиям в пятом—седьмом плейстоценовых ледниковых циклах. Но в первом—четвертом циклах колебания в сравниваемых рядах происходили в этом масштабе почти одновременно. В масштабах 40 и 23 тыс. лет, которые хорошо представляют знаменитую пилообразную форму плейстоценовых ледниковых циклов, лидирования океанической подсистемы в переходах к межледниковьям заметны не только для пятого—седьмого циклов, но также для первого и четвертого. В обратных переходах к ледниковьям океаническая подсистема также лидировала во всех перечисленных циклах, но особенно явно в пятом—седьмом. В том же что касается промежуточных колебаний на стадиях похолоданий, океаническая подсистема в своих изменениях иногда сильно опережала изменения температуры, как, например, 400—570 и 630—680 тыс. лет назад, но чаще эти колебания были более или менее синхронными. В редких случаях, как примерно 580 тыс. лет назад, лидировало даже изменение температуры. Колебания в масштабе 10 тыс. лет
уже мало похожи в сравниваемых рядах, чтобы сделать обоснованное заключение об их синхронности. В целом можно заключить, что лидирующая роль океана проявляла себя, почти исключительно, в главном примерно 100-тысячелетнем ритме плейстоценовых переходов от ледниковых эпох к межледниковьям и обратно.
Рис. 2 позволяет сравнить изменения за последние 910 тыс. лет в рядах ssNa и nssCa. Видно, что в 100-тысячелетнем масштабе уменьшение содержания ssNa предшествовало уменьшению содержания nssCa в шести из девяти переходов от ледниковых условий к межледниковьям, которые происходили за рассматриваемый период времени. При этом количественно лидирование ssNa по отношению к nssCa было здесь больше (на 5—10 тыс. лет), чем по отношению к 5Э (на 3—7 тыс. лет). Иными словами, изменения в континентальной подсистеме проявлялись позже общего изменения климатических условий. Лишь в переходах, начинавшихся примерно 240, 520 и 720 тыс. лет назад, уменьшения содержания ssNa и nssCa начинались практически одновременно.
Еще более резко лидирование океанической подсистемы проявлялось в завершениях межледни-ковий. Только при завершении примерно 560 тыс.
лет назад обе подсистемы начинали изменяться почти одновременно. В масштабе 40 тыс. лет резкие переходы к межледниковьям проявлялись в обеих подсистемах в целом одновременно. Межледни-ковья в ряду были короткими. Последующие переходы к большому содержанию ббН были долгими и колебательными, т.е. ряд ¡аз№ демонстрирует характерную пилообразную форму плейстоценовых ледниковых циклов. В ряду тз8Са эта пилообразная форма не проявляется. Содержание ш8Са почти во всех циклах долго продолжало уменьшаться, когда содержание ББНа уже росло. Так что главные минимумы ш8Са приходились на моменты времени, когда содержание ббН уже имело значение, характерное для ледниковий. В колебаниях, которые происходили во время роста содержания ББНа и ш8Са, иногда лидировала океаническая подсистема (например, с 900 до 400 тыс. лет), а иногда — континентальная (например, в самом последнем ледниковом цикле, начиная с 80 тыс. лет до настоящего времени). В масштабе 23 тыс. лет лидирование ББНа видно в начале переходов к ледниковым климатам. В началах переходов к межледниковьям лидировала континентал
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.