Эти основные климатические состояния сохранялись миллионы, а иногда и десятки миллионов лет, и в каждом из них климат показывает ритмические изменения, соответствующие изменениям на орбите Земли вокруг Солнца. Но каждое состояние климата по-своему реагирует на колебания орбиты, которые вызывают относительно небольшие изменения глобальных температур по сравнению с резкими сдвигами между различными состояниями климата.
Новые результаты, опубликованные 10 сентября в журнале Science, являются результатом десятилетий работы и большого международного сотрудничества.
Задача заключалась в том, чтобы определить прошлые климатические изменения во временной шкале, достаточно тонкой, чтобы увидеть изменчивость, связанную с орбитальными вариациями (эксцентриситетом орбиты Земли вокруг Солнца, а также прецессией и наклоном ее оси вращения).
«Мы давно знаем, что ледниково-межледниковые циклы сопровождаются изменениями орбиты Земли, которые изменяют количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, и астрономы вычисляли эти орбитальные вариации назад во времени», – пояснил соавтор Джеймс.
Захос, выдающийся профессор наук о Земле и планетах, и Ида Бенсон Линн, профессор здоровья океана в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
"По мере того, как мы реконструировали прошлый климат, мы могли довольно хорошо видеть долгосрочные грубые изменения. Мы также знали, что должна быть более мелкомасштабная ритмическая изменчивость из-за орбитальных вариаций, но долгое время считалось невозможным восстановить этот сигнал », – сказал Захос. "Теперь, когда нам удалось уловить естественную изменчивость климата, мы видим, что прогнозируемое антропогенное потепление будет намного больше, чем это."
В течение последних 3 миллионов лет климат Земли находился в состоянии ледникового покрова, характеризуемом чередованием ледниковых и межледниковых периодов.
Современные люди эволюционировали в течение этого времени, но выбросы парниковых газов и другая деятельность человека теперь подталкивают планету к климатическим состояниям Теплого дома и Теплицы, невиданных с эпохи эоцена, которая закончилась около 34 миллионов лет назад. В раннем эоцене не было полярных ледяных шапок, а средние глобальные температуры были на 9-14 градусов Цельсия выше, чем сегодня.
«Прогнозы МГЭИК на 2300 г. в сценарии« обычного ведения дел »потенциально могут привести к тому, что глобальная температура достигнет уровня, которого планета не видела за 50 миллионов лет», – сказал Захос.
Критически важным для составления нового климатического рекорда было получение высококачественных кернов отложений из глубоководных бассейнов океана в рамках международной программы океанического бурения (ODP, позднее – Integrated Ocean Drilling Program, IODP, на смену в 2013 году пришла Международная программа Ocean Discovery). Признаки прошлого климата записаны в раковинах микроскопического планктона (так называемых фораминифер), сохранившихся в донных отложениях.
После анализа кернов отложений исследователям пришлось разработать «астрохронологию», сопоставив изменения климата, зарегистрированные в слоях отложений, с изменениями орбиты Земли (известные как циклы Миланковича).
«Сообщество придумало, как распространить эту стратегию на более старые временные интервалы в середине 1990-х», – сказал Захос, возглавлявший исследование, опубликованное в 2001 году в журнале Science, которое показало реакцию климата на колебания орбиты за период в 5 миллионов лет, охватывающий переход от эпохи олигоцена к миоцену, около 25 миллионов лет назад.
«Это изменило все, потому что, если бы мы могли это сделать, мы знали, что можем вернуться к, может быть, 66 миллионов лет назад и поместить эти временные события и основные изменения климата Земли в контекст изменений орбитального масштаба», – сказал он.
Закос много лет сотрудничал с ведущим автором Томасом Вестерхольдом в Центре морских наук об окружающей среде Бременского университета (MARUM) в Германии, где находится обширное хранилище кернов отложений. Бременская лаборатория вместе с группой Захоса в UCSC сгенерировала большую часть новых данных для более старой части записи.
Вестерхолд курировал важный этап, объединив перекрывающиеся сегменты климатической записи, полученные из кернов отложений из разных частей мира. «Это утомительный процесс – собрать этот длинный мегапиксель климатических записей, и мы также хотели воспроизвести записи с отдельными кернами отложений для проверки сигналов, так что это было большим усилием международного сообщества, работающего вместе», – сказал Захос.
Теперь, когда они составили непрерывный, астрономически датированный климатический отчет за последние 66 миллионов лет, исследователи могут видеть, что реакция климата на орбитальные колебания зависит от таких факторов, как уровни парниковых газов и протяженность полярных ледяных щитов.
«В экстремальном тепличном мире безо льда не будет никакой обратной связи, связанной с ледяными щитами, и это меняет динамику климата», – пояснил Захос.
Большинство основных изменений климата за последние 66 миллионов лет были связаны с изменениями уровней парниковых газов. Захос провел обширное исследование палеоцен-эоценового теплового максимума (ПЭТМ), например, показав, что этот эпизод быстрого глобального потепления, который привел к состоянию теплицы, был связан с массовым выбросом углерода в атмосферу. Точно так же в конце эоцена, когда уровни углекислого газа в атмосфере падали, ледяные щиты начали формироваться в Антарктиде, и климат перешел в состояние Coolhouse.
«Климат может стать нестабильным, когда он приближается к одному из этих переходов, и мы видим более детерминированные реакции на орбитальное воздействие, поэтому мы хотели бы лучше понять это», – сказал Захос.
«Новый климатический рекорд обеспечивает ценную основу для многих областей исследований», – добавил он. Он полезен не только для тестирования моделей климата, но и для геофизиков, изучающих различные аспекты динамики Земли, и палеонтологов, изучающих, как изменение окружающей среды влияет на эволюцию видов.
Соавторы Стивен Бохати, ныне работающий в Университете Саутгемптона, и Кейт Литтлер, ныне работающая в Университете Эксетера, оба работали с Закосом в Калифорнийском университете в Санта-Крус. В соавторы статьи также входят исследователи из более чем десятка институтов по всему миру.
Эта работа финансировалась Немецким исследовательским фондом (DFG), Советом по исследованиям естественной окружающей среды (NERC), программой Европейского Союза Horizon 2020, Национальным научным фондом Китая, Нидерландским центром науки о системе Земли и U.S. Национальный научный фонд.