Точні кліматичні моделі відіграють вирішальну роль у кліматичній науці та політиці, допомагаючи інформувати осіб, які приймають політики та рішення в усьому світі, коли вони розглядають шляхи уповільнення смертельних наслідків потепління планети та адаптації до змін, які вже відбуваються. Щоб перевірити їх точність , моделі запрограмовані на імітацію минулого клімату, щоб побачити, чи вони узгоджуються з геологічними даними. Модельне моделювання може суперечити доказам. Як ми можемо знати, що правильно?

Оглядова стаття, опублікована сьогодні (15 лютого) в журналі Nature, розглядає цей конфлікт між моделями та доказами, відомий як головоломка глобальної температури голоцену. Провідний автор Даррелл Кауфман, професор Ріджентського університету в Школі Землі та сталого розвитку, і докторант Університету Аризони Еллі Бродман, співавтор, який працював над цим дослідженням, здобуваючи ступінь доктора філософії. в НАУ проаналізував широкий спектр доступних даних за останні 12 000 років, щоб розібратися в головоломці. Дослідження базується на роботі Кауфмана, яка була включена до  останнього великого кліматичного звіту Міжурядової групи експертів зі зміни клімату. (IPCC) і розглядає, чи була глобальна середня температура 6500 років тому вищою, як вказують проксі-докази з природних архівів минулої кліматичної інформації, чи холоднішою, як змодельовано моделями, порівняно з кінцем 19 століття, ^коли  промислова Революція призвела до значного збільшення антропогенного потепління.

Ця комплексна оцінка робить висновок, що середня глобальна температура близько 6500 років тому, ймовірно, була вищою, і за нею послідувала багатотисячолітня тенденція похолодання, яка закінчилася в 1800-х роках. Але, попередили вони, невизначеність все ще існує, незважаючи на нещодавні дослідження, які стверджували, що вирішили цю загадку.

«Кількісна оцінка середньої температури Землі в минулому, коли в одних місцях нагрівалося, а в інших охолоджувалося, є складним завданням, і необхідні додаткові дослідження, щоб остаточно розв’язувати цю проблему», — сказав Кауфман. «Але відстеження змін у глобальній середній температурі є важливим, оскільки це той самий показник, який використовується для вимірювання потепління, спричиненого діяльністю людини, і визначення цілей, узгоджених на міжнародному рівні, щодо його обмеження. Зокрема, наш огляд показав, як на диво мало ми знаємо про повільну мінливість клімату, включаючи сили, які зараз запускаються людьми, які будуть діяти з підвищенням рівня моря та відтаванням вічної мерзлоти протягом наступних тисячоліть».

Що ми знаємо

Ми знаємо більше про клімат голоцену, який почався після того, як останній великий льодовиковий період закінчився 12 000 років тому, ніж будь-який інший багатотисячолітній період. Опубліковано дослідження з різноманітних природничих архівів, які зберігають інформацію про історичні зміни, що відбулися в атмосфері, океанах, кріосфері та на суші; дослідження, які розглядають сили, які спонукали до зміни клімату, наприклад, орбіта Землі, сонячне випромінювання, виверження вулканів і парникові гази; і моделювання кліматичних моделей, які перетворюють ці сили на зміну глобальної температури. Усі ці типи досліджень були включені в цей огляд.

Проблема дотепер полягала в тому, що наші дві важливі лінії доказів вказують у протилежних напрямках. Палео-екологічні «проксі» дані, які включають дані з океанів, озер та інших природних архівів, вказують на пік глобальної середньої температури близько 6500 років тому, а потім глобальну тенденцію до охолодження, поки люди не почали спалювати викопне паливо. Кліматичні моделі загалом показують, що глобальні середні температури зростають за останні 6500 років.

Якщо проксі-дані правильні, це вказує на недоліки в моделях і, зокрема, свідчить про те, що кліматичні зворотні зв’язки, які можуть посилити глобальне потепління, недостатньо представлені. Якщо кліматичні моделі правильні, то інструменти для реконструкції палеотемператур потрібно відточити.

Ми також знаємо, що, незалежно від того, чи йдуть цифри вгору, чи вниз, зміна глобальної середньої температури за останні 6500 років була поступовою — ймовірно, менше ніж на 1 градус Цельсія (1,8 градуса Фаренгейта). Це менше, ніж потепління, яке вже було виміряно за останні 100 років, більшість з яких спричинила людина. Однак, оскільки глобальна зміна температури будь-якої величини є значною, особливо у відповідь на зміну парникових газів, знання про те, вищою чи нижчою була температура 6500 років тому, важливо для наших знань про кліматичну систему та покращення прогнозів клімату в майбутньому.

Що ми не знаємо

Це дослідження підкреслило невизначеності в кліматичних моделях. Якщо інтерпретація авторів, що нещодавньому глобальному потеплінню передувало 6500 років глобального похолодання, правильна, тоді розуміння вченими природного кліматичного впливу та зворотного зв’язку, а також того, як вони представлені в моделях, потребує вдосконалення. Якщо вони невірні, то вченим потрібно покращити своє розуміння температурного сигналу в проксі-записах і далі розробляти аналітичні інструменти для фіксації цих тенденцій у глобальному масштабі.

Спроба вирішити головоломку глобальної температури голоцену була пріоритетом для кліматологів в останнє десятиліття; Бродмен пригадує, як прочитала першу статтю на цю тему, коли розпочала роботу над докторською. у 2016 році. Усі дослідження з того часу додали до розуміння цього питання, що наближає науковців у цій галузі до всебічного розуміння. Нещодавні дослідження на цю тему намагалися скоригувати проксі-дані для врахування їхніх передбачуваних недоліків, вставляючи правдоподібні впливи в кліматичні моделі та змішуючи проксі-дані з результатами кліматичної моделі, приходячи до різних висновків щодо причини загадки. Цей огляд робить крок назад, щоб переглянути проблему за допомогою всебічної глобальної оцінки, показуючи, що ми ще не знаємо вирішення цієї головоломки.

Розробка широко застосовних методів кількісного визначення минулої температури вже є пріоритетом для кліматологів. Наприклад, лабораторія Кауфмана тестує використання хімічних реакцій за участю амінокислот, що збереглися в озерних відкладеннях, як новий метод для вивчення минулих змін температури. У поєднанні з новою технологією радіовуглецевого датування від Аризонської лабораторії клімату та екосистем НАУ цей метод може допомогти визначити, чи змінило глобальне потепління довгострокову тенденцію до охолодження.

Чому це важливо

Бродмен, чия робота зосереджується на комунікації науки, створив цифри, які супроводжують дослідження. Це критично важливий спосіб донести до аудиторії важкозрозумілі результати, а в науці про клімат ця аудиторія різноманітна й включає педагогів, політиків, некомерційні організації та вчених у всьому світі.

«Один цікавий висновок полягає в тому, що наші висновки демонструють вплив, який регіональні зміни можуть мати на глобальну середню температуру. Зміни навколишнього середовища в деяких регіонах Землі, як-от зменшення арктичного морського льоду або зміна рослинного покриву в нині величезних пустелях, можуть спричинити зворотний зв’язок, який вплине на планету в цілому», – сказав Бродмен. «З нинішнім глобальним потеплінням ми вже бачимо, що деякі регіони змінюються дуже швидко. Наша робота підкреслює, що деякі з цих регіональних змін і зворотного зв’язку дійсно важливо зрозуміти та зафіксувати в кліматичних моделях».

Крім того, за словами Кауфмана, точна реконструкція деталей минулих змін температури дає змогу зрозуміти реакцію клімату на різні причини як природних, так і антропогенних змін клімату. Відповіді служать еталоном для перевірки того, наскільки добре кліматичні моделі імітують кліматичну систему Землі.

«Кліматичні моделі є єдиним джерелом детальних кількісних кліматичних прогнозів, тому їх точність має вирішальне значення для планування найбільш ефективних стратегій пом’якшення кліматичних змін і адаптації до них», – сказав він. «Наш огляд свідчить про те, що кліматичні моделі недооцінюють важливі кліматичні зворотні зв’язки, які можуть посилити глобальне потепління».

Дослідники використали майже півмільйона скам’янілостей, щоб розгадати 200-річну наукову таємницю: чому кількість різних видів найбільша біля екватора та неухильно зменшується до полярних регіонів. Результати, опубліковані сьогодні (15 лютого 2023 р.) у журналі Nature, дають цінну інформацію про те, як біорізноманіття створюється протягом тривалого часу та як зміна клімату може вплинути на глобальне багатство видів.

Давно відомо, що як у морських, так і в наземних системах види (включаючи тварин, рослини та одноклітинні організми) демонструють «широтний градієнт різноманітності», причому біорізноманіття досягає піку на екваторі. Але досі обмежені дані про викопні рештки заважали дослідникам ретельно дослідити, як уперше виник цей градієнт різноманітності.

У цьому новому дослідженні дослідники з університетів Оксфорда, Лідса та Брістоля використовували групу одноклітинного морського планктону під назвою планктонні форамініфери. Команда проаналізувала 434 113 записів у глобальній базі даних викопних останків за останні 40 мільйонів років. Потім вони досліджували взаємозв’язок між кількістю видів у часі та просторі та потенційними чинниками градієнта широтного різноманіття, такими як температура поверхні моря та рівень солоності океану.

На думку дослідників, ці результати вказують на те, що сучасний розподіл видового багатства планктонних форамініфер можна пояснити крутим широтним градієнтом температури від екватора до полюсів за останні 15 мільйонів років. Можливо, це відкрило більше екологічних ніш у тропічних регіонах у товщі води порівняно з вищими широтами, сприяючи вищим темпам видоутворення.

Щоб перевірити цю гіпотезу, дослідники дослідили, наскільки сучасні види планктонних форамініфер живуть на різних глибинах у вертикальній товщі води. Вони виявили, що в низьких широтах ближче до екватора види сьогодні більш рівномірно розподілені вертикально в товщі води порівняно з високими широтами.

Це свідчить про те, що ключовим фактором сучасного градієнта різноманітності було значне збільшення різниці температур поверхні моря між регіонами низьких і високих широт, а також у товщі води, починаючи з 15 мільйонів років. Тепліші води в тропіках змогли підтримувати ширший діапазон середовищ існування з різними температурами та екологічних ніш у вертикальній товщі води, заохочуючи до еволюції більшої кількості видів.

Це підтверджується тим фактом, що сьогоднішні тропіки багатші, ніж тропіки більш теплих періодів минулого (наприклад, еоцену та міоцену), коли вертикальний градієнт температури в океанах був незначним або відсутній.

Крім того, зниження температури моря у високих широтах, ймовірно, призвело до вимирання багатьох регіональних популяцій видів, сприяючи сучасному градієнту різноманітності.

На графіку показано, як кількість різних планктонних видів форамініфер змінюється залежно від широти в різні моменти історії Землі. Авторство: Fenton та ін. Природа 2023

Планктонні форамініфери походять з раннього до середнього юрського періоду (близько 170 мільйонів років тому). Вони зустрічаються в океанах по всьому світу – від полярних регіонів до екватора – і займають низку екологічних ніш у верхніх двох кілометрах океанів. Оскільки вони утворюють тверду зовнішню оболонку, їх можна зберегти у великій кількості. Глобальна чисельність планктонних форамініфер і їхні виняткові викопні рештки за останні 66 мільйонів років зробили їх ідеальною групою для цього дослідження.

Доктор Ерін Саупе (департамент наук про Землю Оксфордського університету ), провідний автор дослідження, сказала: «Вирішуючи, як просторові моделі біорізноманіття змінювалися протягом тривалого часу, ми надаємо цінну інформацію, яка має вирішальне значення для розуміння того, як генерується та підтримується біорізноманіття. протягом геологічних масштабів часу, що виходить за рамки сучасних екологічних досліджень».

Доцент Трейсі Ейз (Школа Землі та навколишнього середовища, Університет Лідса), співавтор дослідження, додала: «Хоча вони досить малі, щоб поміститися на шпильку, планктонні форамініфери мають один із найповніших видів -рівня скам’янілостей, відомих науці. Наше дослідження базується на 60-річному глибоководному зборі зразків, а також на ретельному підрахунку та записі сотень тисяч зразків вченими-дослідниками. Це фантастично мати можливість отримати такі важливі результати щодо рушійних сил розподілу видів у часі та віддати належне цьому чудовому архіву скам’янілостей».

Співавтор дослідження, доктор Алекс Фарнсворт, старший науковий співробітник Департаменту географічних наук Брістольського університету, сказав: «Розуміння того, чому види в стародавній історії були більш різноманітними та численними ближче до екватора і менше ближче до полюсів, може дати важливу інформацію про те, як морські види, такі як планктон, можуть реагувати в майбутньому. Ці крихітні одноклітинні організми є життєво важливою ланкою в морському харчовому ланцюгу, тому вивчення їхньої реакції на зміну клімату може допомогти нам краще передбачити, як вони, ймовірно, постраждають, коли температура продовжуватиме підвищуватися зі збільшенням кліматичних змін. Це потенційно має значні наслідки для морських харчових мереж, таких як риба та водні ссавці, такі як тюлені та кити, і може бути використано для інформування про майбутні заходи щодо захисту морського життя та збереження біорізноманіття».