Zagwozdka temperatur holocenu

Po zakończeniu epoki lodowej, około 12 tysięcy lat temu, nastała nowa epoka geologiczna nazwana holocenem, charakteryzująca się znacznie cieplejszym klimatem. Globalnie, średnia temperatura planety była około 6 stopni wyższa niż w najzimniejszym okresie epoki lodowej. Jednym z aktywnych zagadnień będących przedmiotem badań w klimatologii jest to, jak stabilny był klimat holocenu, i czy zachodziły w nim jakieś krótko- albo długookresowe zmiany. Tytułową „zagwozdką” jest pytanie, czy w okresie 9-5 tys. lat temu średnia temperatura powierzchni była trochę (o ułamek stopnia) wyższa globalnie, czy jedynie na północnej półkuli (z równoczesnymi niższymi temperaturami na półkuli południowej, w skali globalnej kompensującymi wyższe temperatury na półkuli północnej).

Problem nazwany „zagwozdką temperatur holocenu” (Liu i in., 2014) został odkryty i nazwany niedługo po opublikowaniu pierwszej rekonstrukcji zmian globalnej temperatury w holocenie (okres ostatnich 11 tysięcy lat) przez grupę Shauna Marcotta w 2013 roku (Marcott i in., 2013). Charakterystyczną cechą tej rekonstrukcji było występowanie maksimum termicznego 9-5 tys. lat temu oraz następujące po nim globalne ochłodzenie trwające aż do Rewolucji przemysłowej (gdy zastąpiło je antropogeniczne globalne ocieplenie). Okres spadku temperatury zaskoczył naukowców i wydawał się sprzeczny z dotychczasową wiedzą o przebiegu zjawisk kształtujących klimat w tym czasie.

Sprzeczność wynikała z tego, że choć „maksimum termiczne holocenu” było od ponad stu lat znane jako najcieplejsza w Europie Północnej faza holocenu (tzw. „okres atlantycki”), klasyfikacja ta odzwierciedlała europocentryczny punkt widzenia (Wanner i in., 2012), niekoniecznie zaś sytuację globalną.

Na średnich i wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej teoria Milankowicia (patrz Klimat: przeszłość, teraźniejszość, przyszłość) przewiduje w czasie trwania holocenu powolny spadek nasłonecznienia latem (drugi panel na rysunku 2), wywołany precesją osi ziemskiej i „przesuwaniem się pór roku” na ziemskiej orbicie. Precesja sprawia, że zmienia się odległość pomiędzy Ziemią a Słońcem odpowiadająca danej dacie kalendarzowej, a w konsekwencji zmienia się też ilość promieniowania słonecznego docierającego do planety.

Obecnie przesilenie letnie przypada na czas, kiedy Ziemia znajduje się blisko najdalszego punktu na orbicie, ale na początku holocenu, 10 tysięcy lat temu, latem (na półkuli północnej) Ziemia była najbliżej Słońca. Oznacza to, że w późnym holocenie latem docierało do średnich i wysokich szerokości geograficznych na półkuli północnej (czyli również Europy i Ameryki Północnej, skąd wywodzili się geolodzy którzy ten okres badali i nazwali) więcej promieniowania słonecznego niż obecnie, zatem powinno być tam wtedy cieplej.

Na niższych szerokościach geograficznych oraz półkuli południowej zmiany te byłyby jednak mniej wyraźne i kompensowane przez wzrost nasłonecznienia zimą.

Globalnie, zmiana temperatury wynikająca ze zmian nasłonecznienia wychodziła w przybliżeniu na zero. Jednak na klimat działały też inne czynniki, w szczególności zmiany stężeń gazów cieplarnianych i albedo (czyli zdolność odbijania padającego promieniowania). Zarówno rosnąca powoli koncentracja gazów cieplarnianych (wynikająca – zgodnie z hipotezą wczesnego antropocenu – z rozwoju rolnictwa pierwszych społeczeństw neolitycznych) jak i ustępujące lądolody zmniejszające albedo wielkich obszarów kontynentalnych półkuli północnej (co skutkowało pochłanianiem większej części padającego promieniowania słonecznego), powodowały dodatnie globalne wymuszenie radiacyjne.

Rezultatem działania wszystkich tych czynników powinno być powolne i niewielkie, ale zauważalne ocieplanie się klimatu.

Dlatego też rekonstrukcja Marcotta z 2013 roku (rys. 1), pokazująca mające początek ok. 5000 lat temu wyraźne ochłodzenie nie tylko półkuli północnej, ale też globalne, była dla paleoklimatologów zaskoczeniem i niedługo po jej publikacji zaczęły ukazywać się prace starające się wyjaśnić ten konflikt teorii i obserwacji (danych paleoklimatycznych).

Zaproponowane wyjaśnienia należą do dwóch głównych kategorii: „problem z teorią” oraz „problem z obserwacjami” (albo ich kombinacji).

To było to globalne maksimum temperatury powierzchni Ziemi kilka tysięcy lat temu czy nie? Problemy z teorią, czyli może tak, a może nie…

Niepewności związane z przewidywaniami teoretycznymi wynikają głównie z tego, że zmian klimatu holocenu nie da się obliczyć analitycznie (to znaczy uzyskać dokładnych rozwiązań, przekształcając wzory), konieczne jest więc użycie modeli numerycznych klimatu. Modele te z są definicji niedoskonałą reprezentacją ziemskiego systemu klimatycznego, i możliwe jest, że w symulacjach holocenu nie uwzględniają jakiegoś istotnego czynnika lub mechanizmu odpowiedzialnego za długoterminowe ochłodzenie. Niedoskonała jest także nasza wiedza odnośnie warunków środowiskowych sprzed tysięcy lat, które są danymi wejściowymi (brzegowymi) modeli i mają wpływ na wyniki symulacji.

Jest?

Przykładem potencjalnego mechanizmu, który mógłby przynajmniej częściowo odpowiadać za to, że po ciepłym okresie na początku holocenu globalna temperatura zaczęła później spadać, był wzrost zawartości pyłu mineralnego w atmosferze, do którego doszło w wyniku przemian ekosystemów Sahelu i Sahary w Afryce Północnej i związany z tym spadek natężenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. W 2018 roku ukazała się praca chińskich klimatologów (wśród nich Zhengyu Liu, głównego autora pierwszego artykułu o „zagwozdce”) demonstrująca, że efekt ten może być częściowo odpowiedzialny za rozbieżność pomiędzy przewidywaniami modeli a danymi paleoklimatycznymi (Liu i in., 2018). Trochę innym tropem poszli klimatolodzy korzystający z projektu symulacji paleoklimatycznych PMIP3, którzy wskazali, że trend ochłodzenia w późnym holocenie mógł wynikać z silnego wzmocnienia arktycznego (Park i in., 2019).

Nie ma?

Najpopularniejszym wyjaśnieniem zagadki jest jednak zupełnie inna hipoteza, rozważana jeszcze przez Marcotta i jego współautorów: że dane używane w rekonstrukcji zmian klimatu holocenu nie reprezentują trendu średniorocznej temperatury, a jedyni jej sezonową – a precyzyjniej, letnią – składową. Takie wyjaśnienie zaproponowali też autorzy pierwszego artykułu o „zagwozdce” (Liu i in., 2014), oraz autorzy innej rekonstrukcji temperatury w Ameryce Północnej i Europie, opartej o pyłki zachowane w zapisie kopalnym (Marcisek i in., 2018).

W opublikowanej na początku tego (2021) roku nowej pracy na ten temat klimatolożka Samantha Bova z kolegami pokazali, że temperatura wody morskiej rekonstruowana w oparciu o proxy Mg/Ca (czyli zawartości magnezu w węglanowych pancerzykach otwornic) zachowuje się tak, jakby zależała od nasłonecznienia letniego (Bova i in., 2021). Jednocześnie zaproponowano metodę skorygowania tego proxy tak, by możliwe było zrekonstruowanie temperatury całorocznej. Spowodowało to zniknięcie maksimum temperaturowego holocenu z obszaru tropików i subtropików (pomiędzy równoleżnikami 40°).

Jest?

Nie jest to jednak koniec, bo argumenty przedstawione w omawianych pracach odnosiły się do oryginalnej rekonstrukcji Marcotta, gdzie większość danych stanowiły proxy morskie, a trend ochłodzenia był najsilniej widoczny w danych z Atlantyku Północnego. W międzyczasie opublikowano jednak nową rekonstrukcję (Kaufman i in., 2020, A), opartą o kompilację projektu Temperature12k (Kaufman i in., 2020, B), która opierała się o proxy z dziesięciokrotnie większej liczby lokalizacji, w tym również lądowych.

Autorzy rekonstrukcji przekonująco pokazali, że obecność maksimum termicznego holocenu jest potwierdzona w różnych typach proxy, w tym również tych reprezentujących temperatury średnioroczne.

Z rekonstrukcji wynika, że maksymalna temperatura globalna w najcieplejszym okresie holocenu kilka tysięcy lat temu była wyższa o ok. 0,5°C niż w okresie przedprzemysłowym.

Nie ma?

Najnowszym, choć najprawdopodobniej nie ostatnim głosem w dyskusji o „zagwozdce” temperatur holocenu jest nierecenzowany jeszcze artykuł Matta Osmana i współautorów z projektu Last Glacial Maximum Reanalysis. Praca ta jest kontynuacją badań z projektu (Tierney i in., 2020), w którym zrekonstruowano mapę temperatury z maksimum ostatniej epoki lodowej, ok. 20 tysięcy lat temu. W nowej publikacji użyto tych samych metod (połączenia danych proxy oraz wyników symulacji modelu klimatu, w procesie zwanym asymilacją danych, powszechnie używanym w generowaniu codziennych numerycznych prognoz pogody) do odtworzenia zmian temperatury w całym okresie ostatnich 24 tysięcy lat.

Rekonstrukcja ta pokazuje bardzo stabilny holocen, bez trendu globalnego ochłodzenia znanego z rekonstrukcji Marcotta i in., oraz współczesne globalne ocieplenie przewyższające amplitudą i tempem zmian wahania temperatur w całym holocenie (rys. 6). Ponieważ jednak model korzystał wyłącznie z danych pochodzących z proxy morskich, wciąż nierozstrzygnięta pozostaje kwestia niezgodności trendów temperatur na obszarach kontynentalnych północnej półkuli planety.

A więc..?

Podsumowując, nie ma wątpliwości że latem na średnich i wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej najcieplej było ponad 5000 lat temu, potem zaś temperatura na tym obszarze przez tysiące lat spadała. Cała „kontrowersja” dotyczy tego, czy ta letnia składowa, jeśli uśredni się ją w czasie całego roku oraz na powierzchni całej planety, zdominuje kształt krzywej odzwierciedlającej zmiany średniej globalnej temperatury; czy też zostanie skompensowana przez zmiany temperatury w innych porach roku i innych rejonach świata. Jak na razie odpowiedź brzmi: tak do końca nie wiadomo, choć stopień niepewności nie jest już duży: współczesne rekonstrukcje pokazują, że średnia globalna temperatura w okresie 9000-5000 lat temu była wyższa o co najwyżej 0,5°C niż w epoce przedprzemysłowej. Półżartem, jeśli nie chcesz wchodzić w szczegóły i mieć (najprawdopodobniej) rację, możesz powiedzieć, że mogło być wtedy cieplej tak o ćwierć stopnia, plus-minus ćwierć stopnia 🙂

„Zagwozdka temperatur holocenu” pokazuje też, że trudno jest bezpośrednio porównywać zmiany klimatu z odległej przeszłości Ziemi z tą która zachodzi obecnie. W przypadku maksimum termicznego holocenu „globalne ocieplenie” nie było bynajmniej globalne, lecz tak było efektem silnie zlokalizowanym i sezonowym. Obecne globalne ocieplenie, spowodowane antropogeniczną emisją gazów cieplarnianych jest dla odmiany niemal uniwersalne: dotyczy wszystkich pór roku i niemal całej powierzchni planety.

Piotr Florek, Met Office, Hadley Centre