Арктика нагрелась задолго до нас: ученые выяснили, кто «качал маятник тепла» и почему это важно сегодня

Фото: Александр Романовский / Фотобанк ПОРА

Климатологи из Института географии РАН, Института физики атмосферы имени Обухова и Московского физико-технического института (МФТИ) разгадали механизм загадочного арктического потепления 1920–1940-х годов — тогда высокие широты нагрелись почти так же сильно, как сейчас, хотя парниковых газов было еще мало. Оказалось, что главную роль играли естественные «маятники» климата, но результат их влияния сильно зависит от того, как его рассчитывать. В процессе оценки того, какую долю в температурных скачках начала XX века могли сыграть «внутренние ритмы» атмосферы и океана Северного полушария, учёные отметили, что ответ менялся в зависимости от того, как именно отделять естественные колебания климата от внешних факторов вроде роста парниковых газов и загрязнения воздуха аэрозолями. Результаты исследования, выполненного при поддержке Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Atmosphere.

Арктический маятник: кто качает тепло?

Если посмотреть на график арктических температур за последние 120 лет (1905–2014 гг.), отчетливо видны два всплеска: современный и более ранний. Но если сегодняшний нагрев уверенно связывают с деятельностью человека, то причины температурного скачка столетней давности долго оставались предметом споров. Ученые рассуждали так: климатическую машину движут либо внешние силы (солнце, вулканы, парниковые газы), либо внутренние ритмы самой системы океан–атмосфера. Эти ритмы — словно гигантские маятники, которые раскачиваются десятилетиями, то подталкивая тепло к полюсу, то отбрасывая его обратно в средние широты. У таких маятников есть имена: Атлантическое мультидекадное колебание (медленные пульсации температуры воды в Северной Атлантике), Тихоокеанское декадное колебание (его «брат-близнец» в Тихом океане) и атмосферные режимы вроде Североатлантического колебания, которые перераспределяют ветры и давление.

 ( а ) Годовые аномалии температуры поверхности моря, °C и ( б ) зимний сезон (декабрь-февраль-март) — Северное полушарие (0–90° с.ш.; темно-синяя линия), Арктический регион (60–90° с.ш.; черные линии) согласно набору данных HadCRUT5 (черная сплошная линия), GISTEMP (пунктирная черная линия), BERKLEY (штриховая черная линия), среднее значение ансамбля CMIP6 (красная линия); 7-летнее скользящее среднее, базовый период 1961–1990 гг. Изображение: авторы исследования. Источник: rscf.ru

Но при оценке вклада каждого маятника исследователей ждала ловушка. Маятники и внешние силы не независимы: например, парниковые газы могут влиять на температуру океана, а значит, и на сами индексы колебаний. Если просто вычесть из данных общий тренд («прямую линию» потепления), легко ошибиться и приписать маятникам то, что на самом деле сделано внешними факторами. Именно этот выбор — «как убирать внешнее» — авторы сделали центральным вопросом своего исследования. Они взяли ряды приземной температуры воздуха в Арктике из глобального набора данных о температуре поверхности Земли, собранного на основе инструментальных наблюдений, и сравнили два подхода.

Первый подход – самый прямолинейный: убрать линейный тренд, словно провести прямую через весь столетний ряд, и изучать колебания вокруг нее. Второй – более тонкий: исследователи взяли данные ансамбля современных климатических моделей, вычли из наблюдений то, что модели считают вынужденным откликом на внешние воздействия, и только потом спросили: что осталось? Кто из маятников качает оставшееся тепло?

Вывод

Результат оказался поразительным. В первом варианте расчетов маятники объясняли до двух третей зимних колебаний температуры в Арктике, и главный вклад в этот процесс был у Атлантического мультидекадного колебания. Но стоило применить второй, более корректный метод, как картина перевернулась до неузнаваемости: объясняющая сила маятников упала до одной трети, а на первое место вышло Тихоокеанское декадное колебание.

Но и это не всё. Арктика — не монолит, а мозаика регионов, каждый из которых по-разному связан с Атлантикой и Тихим океаном. Исследователи разделили высокие широты на четыре сектора равной площади — европейский, азиатский, тихоокеанский и североатлантический — и повторили анализ для каждого. Оказалось, что в одних секторах громче звучат атлантические ритмы, в других – тихоокеанские. А североатлантический сектор особенно чутко реагирует на атмосферные перестройки над самой Атлантикой.

Практическое значение

Выводы работы имеют прямое практическое значение для развития Арктической зоны России:

• Улучшение прогнозов. Климатические модели хуже воспроизводят раннее потепление XX века, чем современное. Это сигнал: модели могут ошибаться в долгосрочных прогнозах, а значит, опираться на них при планировании инфраструктуры нужно с осторожностью.
  
• Региональная специфика. Арктика неоднородна: в разных секторах (европейском, азиатском, тихоокеанском) работают разные механизмы переноса тепла. Это значит, что стратегии адаптации для портов Мурманской области, трасс Северного морского пути и поселков на Чукотке должны быть разными.
  
• Фокус на Тихий океан. После «очистки» данных роль тихоокеанских маршрутов переноса тепла оказалась выше, чем считалось. Это важный ориентир для науки: именно туда стоит направлять усилия по изучению зимних аномалий, критически важных для ледовой обстановки и работы Севморпути.
  

Научный сотрудник Института географии РАН Дарья Бокучава подчеркнула: самый ценный вывод работы – то, что методика влияет на ответ почти так же сильно, как сами данные. И на следующем этапе исследования учёные будут проверять статистику физическими экспериментами в моделях и разбирать механизмы переноса тепла по регионам.

Потепление Арктики в недавнем прошлом остается идеальным «полигоном для климатологии»: оно достаточно близко, чтобы его данным можно было доверять, и достаточно загадочно, чтобы учиться отделять причины от совпадений. А значит – точнее прогнозировать будущее самого чувствительного к климату региона планеты.

Мозаика зимнего потепления в Арктике. Пространственное распределение аномалий температуры воздуха в зимней Арктике (60–90° с.ш.), в °C, усредненных за период 1901–2014 гг. на основе данных разных клииматических моделей: ( a ) данных HadCRUT5, ( b ) среднего значения ансамбля CMIP6, ( c ) данных HadCRUT5 после вычитания среднего значения ансамбля CMIP6; и усредненных за период ETCW 1921–1950 гг. на основе ( d ) данных HadCRUT5, ( e ) среднего значения ансамбля CMIP6, ( f ) данных HadCRUT5 после вычитания среднего значения ансамбля CMIP6.  Хорошо видно, что в период раннего потепления 1921–1950 годов сильные аномалии концентрировались в отдельных регионах, а модельное среднее сглаживает эту пространственную структуру. Изображение: авторы исследования. Источник: rscf.ru