Плейстоцен – эпоха, охватывающая примерно 2,6 млн лет вплоть до голоцена (последних 12 тыс. лет), – характеризуется выраженными циклами оледенений и потеплений («межледниковий»). В раннем плейстоцене такие циклы были регулярными и имели период 41 тыс. лет. Их природа объясняется влиянием на климат Земли колебаний земной оси, имеющих в точности такой же период: в эпохи, соответствующие минимальному наклону оси, увеличивается разница в количестве принимаемой от Солнца энергии между тропическими и полярными регионами, что приводит к повышенному перемещению влаги от тропиков к полюсам, росту количества осадков и, в конечном счете, «намораживанию» большей массы континентальных льдов. Однако, в среднем плейстоцене (около 1.2 млн лет назад) ситуация начала кардинально меняться, и во второй половине плейстоцена климатические циклы стали совсем другими: продолжительность ледниковых циклов и перепады температуры на протяжении каждого цикла увеличились в разы, циклы стали менее регулярными, а ледниковые периоды стали занимать существенно большее время, чем межледниковья. Причины такого изменения климата, называемого в литературе «Переход среднего плейстоцена» (ПСП), до сих пор являются предметом горячих дебатов в научном сообществе, а общепринятая теория этого перехода на данный момент отсутствует. Внимание, уделяемое этой проблеме, понятно: обоснованное объяснение причин одного из наиболее сильных из известных нам изменений климата может помочь ответить на волнующий общество сегодня вопрос о возможности подобных событий в будущем.
В своей недавней работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, физики из Нижнего Новгорода предложили применить для решения этой проблемы оригинальную методику построения математических моделей путем прямого анализа имеющихся данных измерений. Эта методика, использующая методы машинного обучения и специальный критерий выбора оптимальной модели, позволяет найти динамическую модель явления, которая наилучшим образом соответствует измерениям, и дает возможность ответить на вопросы, касающиеся причин и механизмов наблюдаемых изменений климата.
По доступным сегодня данным об изменениях глобального климата на протяжении последних 2,6 миллиона лет, полученным из измерений содержания изотопа кислорода в донных отложениях по всему Земному шару, удалось построить модель, воспроизводящую климатические циклы плейстоцена, в том числе ПСП. Оказалось, основная причина ПСП связана с нелинейными свойствами самой климатической системы. В результате медленной эволюции климата на масштабах десятков миллионов лет, его отклик на различные воздействия изменился, став более сложным. Так, процессы, протекающие в климате на коротких временных масштабах (столетних и тысячелетних), которые выглядят как случайный шум на фоне продолжительных ледниковых циклов, оказались принципиальны для объяснения ПСП: фактически, именно такие быстрые процессы «раскачивают» климат позднего плейстоцена, вовлекая его в затяжные оледенения. При этом меняется, но остается важной роль колебаний оси Земли: теперь они синхронизуют наиболее интенсивные ледниковые циклы, делая интервал между межледниковьями кратным 41 тысяче лет. Кроме того, эти колебания существенно увеличивают температурный диапазон ледниковых циклов, способствуя наращиванию большей массы льда в ледниковые периоды. Стоит отметить, что кроме колебаний оси Земли, существуют и другие колебания орбитальных параметров Земли, которые, как предполагали многие исследователи, могли бы воздействовать на климат. Так, прецессии (вращения) оси планеты и ее орбиты, вносят большой вклад в вариации солнечной освещенности в высоких широтах с периодами 19-25 тыс лет. Кроме того, существуют колебания «вытянутости» эллиптической орбиты вращения Земли вокруг Солнца с периодом около 100 тыс. лет, имеющие энергетически существенно меньший вклад. Построенная модель позволяет утверждать, что изменения этих орбитальных параметров не повлияли на ПСП, и только колебания наклона оси Земли оказали заметное воздействие на климат плейстоцена как до, так и после ПСП.
Важной особенностью работы, выполненной нижегородской исследовательской группой, является универсальность созданных методов и алгоритмов анализа данных, которые могут быть применены как для изучения причин уже произошедших изменений, так и для прогноза будущего состояния климатической системы Земли.
Данные о климате плейстоцена, которые использовались для построения модели. Сверху -- композитный ряд изотопа кислорода (LR04 stack), составленный из измерений в донных отложениях по всему Земному шару. Желтыми кружками отмечены наиболее сильные оледенения, предшествующие резким потеплениям климата. Снизу показан пространственно-временной (вэйвлет) спектр этого ряда, на котором переход среднего плейстоцена проявляется как возникновение широкой спектральной линии на масштабах около 100 тыс. лет.
[ФОТО из архива ФИЦ ИПФ РАН]
