Jak zimna była ostatnia epoka lodowa?

Najzimniejszy okres ostatniego zlodowacenia (ang. Last Glacial Maximum, LGM), około 21 tysięcy lat temu, jest najbliższym naszym czasom okresem, w którym klimat Ziemi znacząco różnił się od obecnego. Wiedza o tym, dlaczego tak było oraz jakie czynniki odpowiadały za oziębienie skutkujące powstaniem ogromnych lądolodów, pomaga nam lepiej zrozumieć działanie systemu klimatycznego i umożliwia lepsze przewidywanie następstw obecnie zachodzącej zmiany klimatu. Z tych właśnie powodów LGM jest popularnym tematem badań paleoklimatycznych i „celem” symulacji używanych przy testowaniu modeli klimatycznych.

Pomimo tego, wciąż nie wiadomo jak dokładnie wyglądał klimat ostatniej epoki lodowej, i to nawet w skali globalnej. Rozrzut wartości globalnego ochłodzenia w czasie LGM, w porównaniu do epoki przedprzemysłowej, sięga od 3 do 7 stopni Celsjusza. Może to być pewnym zaskoczeniem, biorąc pod uwagę jak dobrze przebadane – zwłaszcza w Europie – wydaje się ostatnie zlodowacenie, jednak podobnie jak w przypadku ciepłego okresu w holocenie 5-9 tys. lat temu, problemem jest lokalna, skrzywiona perspektywa (patrz Zagwozdka temperatur holocenu). Większość powierzchni Ziemi pokrywają bowiem oceany, a ustalenie jak zmieniała się ich temperatura tysiące lat temu nie jest łatwe.

Temperatura w epoce lodowej – pierwsze analizy

Pierwszym dużym projektem naukowym, który próbował odpowiedzieć na to pytanie, był CLIMAP (Climate: Long range Investigation, Mapping, and Prediction) rozpoczęty 50 lat temu, którego wyniki opublikowano w 1976 i (w zaktualizowanej wersji) 1981 roku (CLIMAP Project Members, 1976, 1981). W ramach CLIMAP zrekonstruowano temperaturę powierzchni oceanów w czasie maksimum ostatniego zlodowacenia (wówczas datowanego na 18 tysięcy lat temu*), opierając się o analizę względnej częstości występowania różnych gatunków planktonu, zachowanego w oceanicznych osadach, którą następnie metodami statystycznymi powiązano z warunkami środowiska, w którym ten plankton przebywał.

Najsłynniejszym, i najbardziej zaskakującym wynikiem projektu CLIMAP były ciepłe tropiki i subtropiki: zrekonstruowana temperatura powierzchniowych wód oceanów na niskich szerokościach geograficznych (zwłaszcza Pacyfiku) była podobna do tej z lat 70. XX w., albo nawet trochę od niej wyższa. Globalnie, oceany w pierwszej wersji rekonstrukcji CLIMAP były chłodniejsze tylko o 2,3°C w porównaniu do lat 70. XX wieku (CLIMAP Project Members, 1976), w wersji zaktualizowanej w 1981 roku ochłodzenie to było nawet jeszcze mniejsze (-1,2°C).

Jednocześnie inne dane paleoklimatyczne wskazywały znaczne ochłodzenie na lądach. Przykładowo, linia wiecznego śniegu w górach tropikalnych znajdowała się około kilometr niżej, co przy najprostszej interpretacji, spójnej również z danymi paleopalinologicznymi (określania dawnego klimatu na podstawie pyłków roślin z danego miejsca), oznaczało temperatury na lądach niższe o 5-6 stopni Celsjusza. Istnienie takiego kontrastu temperaturowego pomiędzy kontynentami a oceanami było trudne do wytłumaczenia.

Niektóre proxy morskie — takie jak stosunek zawartości strontu i wapnia w szkieletach tropikalnych koralowców — również wskazywały na niższe niż CLIMAP temperatury powierzchni oceanów (Guilderson i in., 1994), podobnie jak symulacje wykonywane ówczesnymi modelami klimatu (Rind i Peteet, 1985). Niektórzy paleoklimatolodzy podejrzewali więc, że metoda rekonstrukcji temperatur użyta w projekcie CLIMAP prowadziła do błędnych wyników.

Pojawiały się też inne hipotezy, na przykład postulujące znaczne zmiany wilgotności względnej w tropikach, a w konsekwencji również wilgotnoadiabatycznego gradientu temperatury (4-7°C/km), które mogłyby wyjaśniać dlaczego lądy były znacznie zimniejsze od oceanów (Sun i Lindzen, 1993). Klimatolodzy szybko zorientowali się też, że rozwiązanie tego problemu może pomóc w określeniu czułości klimatu w odpowiedzi na zmiany zawartości dwutlenku węgla w atmosferze (Hoffert i Covey, 1992).

Pomimo kolejnych analiz ustalenie tego, jak zimna była epoka lodowa, wciąż wymykało się naukowcom, a kolejne 40 lat badań, wykonywanych różnymi metodami, dało w rezultacie duży rozrzut sugerowanych wartości. Projekt MARGO (Multiproxy Approach for the Reconstruction of the Glacial Ocean Surface), który miał być „CLIMAP-em XXI wieku” (MARGO Project Members, 2009), zrekonstruował ochłodzenie oceanów tylko niewiele większe niż CLIMAP (-1,9°C), a analizy używające tego samego zestawu danych proxy dla oszacowania średniej globalnej dawały wartości od -3 do -4 stopni (Schmittner i in., 2011, Annan i Hargreaves, 2013). Nowsze analizy, zwłaszcza te oparte o proxy inne niż skład planktonu (np. Δ₄₇ Tripati i in., 2014) wskazywały na większą amplitudę zmian niż wcześniejsze badania. W rezultacie jeszcze piąty raport IPCC z 2013 roku podawał jako „bardzo prawdopodobny” zakres widełek globalnego ochłodzenia od -3 do -8°C (IPCC 2013 AR5 WG1 Ch5 5.3.3.1).

Nowe analizy czułości klimatu

W ostatnich latach szacunki paleoklimatologów znów zaczęły przesuwać się w kierunku zimniejszej epoki lodowej. Przykładem może być opublikowana w ubiegłym roku praca „Ochłodzenie lodowcowe i czułość klimatu ponownie przeanalizowane” („Glacial cooling and climate sensitivity revisited”) Jessiki Tierney ze współautorami (Tierney i in., 2020 [pełna wersja]), w której użyto metody asymilacji danych paleoklimatycznych. Asymilacja danych, wykorzystywana od dekad w numerycznych prognozach pogody, jest metodą oszacowania stanu obiektu fizycznego (jak atmosfera albo oceany) poprzez połączenie (np. filtrowaniem Kalmana) wyników modelowania oraz danych empirycznych.

W przypadku prognoz pogody, asymilacji używa się aby zainicjować model pogody danymi pomiarowymi, pochodzącymi ze stacji meteorologicznych, radarów, samolotów i satelitów, odpowiadających zwykle nieodległej przeszłości. Asymilacji danych używa się też, w bardzo podobny sposób, choć z użyciem ograniczonego zestawu źródeł danych, przy konstrukcji tzw. reanaliz historycznych pogody i klimatu, takich jak ERA5 przygotowywana przez ECMWF. Niedawno zaczęto używać asymilacji danych również przy badaniach klimatu z bardziej odległych czasów, używając danych proxy.

Asymilacja danych pozwala na umieszczenie „wewnątrz” modelu klimatu procesów, dzięki którym możliwe jest rekonstruowanie takich parametrów jak temperatura czy opady. Przykładowo, zamiast porównywać temperaturę wody rekonstruowaną w oparciu o zawartość ciężkiego izotopu tlenu (δ¹⁸O) w pancerzykach otwornic z temperaturą symulowaną przez model, można porównywać bezpośrednio zmierzone δ¹⁸O zachowane w osadach dennych z δ¹⁸O symulowanym przez model. Na analogicznej zasadzie w modelach pogody asymiluje się, zamiast temperatury albo wilgotności, pomiary promieniowania wykonywane przez satelity meteorologiczne. W porównaniu z metodami statystycznymi asymilacja danych pozwala na wykorzystanie fizycznych zależności pomiędzy różnymi parametrami danych proxy, i stworzyć spójną z prawami fizyki reprezentację systemu klimatycznego.

W rekonstrukcji Tierney i in. ochłodzenie oceanów epoki lodowej oszacowano na -2,9°C, a ochłodzenie globalne na -6,1°C (z wąskim 95% przedziałem ufności od −6,5 do −5,7°C).

Podobny wynik otrzymano też w innej pracy z ubiegłego roku, wykorzystującej inne metody rekonstrukcji oraz inne dane proxy (Friedrich i Timmermann, 2020 [pełna wersja]). Według tej analizy średnia temperatura powierzchni Ziemi w maksimum ostatniej epoki lodowej była o 5,7°C niższa niż we wczesnym holocenie (10-5 tys. lat temu), czyli (patrz Zagwozdka temperatur holocenu) o ok. 5,5°C mniej niż w epoce przedprzemysłowej.

Jednym z ograniczeń badań Tierney i in. była asymilacja tylko geochemicznych proxy morskich; temperatury lądowe były obliczane interaktywnie przez sam model klimatu. Jak wspomnieliśmy wyżej, dotychczasowe rekonstrukcje sugerują nie tylko znaczne ochłodzenie zwłaszcza na wyższych szerokościach geograficznych kontynentów półkuli północnej (gdzie wytworzyły się lądolody), ale także w tropikach. Najnowszą z nich jest praca opublikowana niedawno w czasopiśmie Nature (Seltzer i in., 2021), oparta o analizę izotopową gazów szlachetnych rozpuszczonych w wodach gruntowych, „pamiętających” czasy ostatniej epoki lodowej. Z badań tych wynika, że nawet na niższych szerokościach geograficznych (w pasie pomiędzy 45°S i 35°N) podczas zlodowacenia temperatury średnioroczne były o około 5 stopni chłodniejsze niż w epoce przedprzemysłowej.

I choć z pewnością nie jest to ostatnie słowo w tej trwającej od wielu lat debacie naukowej, można ostrożnie powiedzieć, że według dzisiejszego stanu wiedzy w najzimniejszym okresie ostatniej epoki lodowej średnia temperatura naszej planety była o około 5-6°C niższa niż w okresie 1850-1900, stanowiącym standardowy okres referencyjny „epoki przedprzemysłowej”. W nowym raporcie IPCC, przygotowywanym do publikacji w najbliższych miesiącach, prawdopodobnie zostanie podana średnia wartość 5,5°C.

Piotr Florek, Met Office, Hadley Centre

*W 1990 roku okazało się, że wiek LGM, ustalany metodą datowania radiowęglowego 14C, był zaniżony o około 3 tysiące lat, i o tyle trzeba było postarzeć ostatnią epokę lodową. Patrz Bard i in., 1990.