Обратная связь лед-альбедо — это климатический процесс с положительной обратной связью , при котором изменение площади ледяных шапок , ледников и морского льда изменяет альбедо и температуру поверхности планеты. Поскольку лед обладает высокой отражающей способностью, он отражает гораздо больше солнечной энергии обратно в космос, чем открытая вода или любой другой земной покров . [1] Это происходит на Земле , а также может происходить на экзопланетах . [2]
Поскольку в более высоких широтах самые низкие температуры, они, скорее всего, имеют многолетний снежный покров, широко распространенные ледники и ледяные шапки – вплоть до потенциального образования ледяных щитов . [3] Однако, если произойдет потепление, то более высокие температуры приведут к уменьшению площади, покрытой льдом, и обнажат больше открытой воды или суши. Альбедо уменьшается, и поэтому поглощается больше солнечной энергии, что приводит к еще большему потеплению и большей потере отражающих частей криосферы . И наоборот, более низкие температуры увеличивают ледяной покров, что увеличивает альбедо и приводит к большему охлаждению, что делает дальнейшее образование льда более вероятным. [4]
Таким образом, обратная связь между льдом и альбедо играет важную роль в глобальном изменении климата . Это было важно как для начала условий Земли-снежка почти 720 миллионов лет назад , так и для их конца около 630 млн лет назад: [5] дегляциация , вероятно, включала постепенное потемнение альбедо из-за накопления пыли . [6] В более недавнем геологическом прошлом эта обратная связь была основным фактором наступления и отступления ледникового покрова в период плейстоцена (от ~ 2,6 млн лет до ~ 10 тыс. лет назад). [7] Совсем недавно антропогенное увеличение выбросов парниковых газов имело множество последствий по всему миру, и сокращение морского льда в Арктике было одним из наиболее заметных. Поскольку морской ледяной покров сокращается и отражает меньше солнечного света, [8] Арктика нагревается в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру. [9] В глобальном масштабе продолжавшаяся десятилетиями потеря льда в Арктике и недавнее сокращение площади морского льда в Антарктиде оказали такое же воздействие на потепление в период с 1992 по 2018 год, что и 10% всех выбросов парниковых газов за тот же период. [10]
Обратная связь между льдом и альбедо присутствовала в некоторых из самых ранних климатических моделей , поэтому они моделировали эти наблюдаемые воздействия на протяжении десятилетий. [3] [11] Следовательно, их прогнозы будущего потепления также включают будущую потерю морского льда наряду с другими факторами изменения климата. [12] По оценкам, постоянные потери в течение арктического лета, когда Солнце светит наиболее интенсивно и отсутствие отражающей поверхности оказывает наибольшее воздействие, приведет к глобальному потеплению примерно на 0,19 °C (0,34 °F). [12] [13] Существуют также модельные оценки воздействия потепления в результате исчезновения горных ледников и ледниковых щитов в Гренландии и Антарктиде . Однако потепление от их потери, как правило, меньше, чем от сокращения морского льда, и для того, чтобы его увидеть в полной мере, потребуется очень много времени. [12] [14]
В 1950-х годах первые климатологи , такие как Сюкуро Манабе, уже предпринимали попытки описать роль ледяного покрова в энергетическом балансе Земли . [11] В 1969 году Михаил Иванович Будыко из СССР и Уильям Д. Селлерс из США опубликовали статьи, в которых представили некоторые из первых климатических моделей энергетического баланса , продемонстрировавших, что отражательная способность льда оказала существенное влияние на климат Земли. , и что изменения снежно-ледяного покрова в любом направлении могут послужить мощной обратной связью. [1] [15] [16] [11]
Этот процесс вскоре был признан важной частью моделирования климата в обзоре 1974 года [3] , а в 1975 году модель общей циркуляции, использованная Манабе и Ричардом Т. Уэзеральдом для описания эффектов удвоения концентрации CO 2 в атмосфере - ключевое измерение чувствительности климата – также уже включило в себя то, что оно назвало «обратной связью со снежным покровом». [17] Обратная связь по альбедо льда продолжает включаться в последующие модели. [12] Расчеты обратной связи также применяются к исследованиям палеоклимата , например, периода плейстоцена (от ~ 2,6 млн лет до ~ 10 тыс. Лет назад). [7]
Обратная связь снега и льда с альбедо оказывает существенное влияние на региональные температуры. В частности, наличие ледяного покрова и морского льда делает Северный и Южный полюса более холодными, чем они были бы без него. [4] Следовательно, недавнее сокращение морского льда в Арктике является одним из основных факторов, обуславливающих потепление в Арктике почти в четыре раза быстрее, чем в среднем в мире, начиная с 1979 года (год, когда начались непрерывные спутниковые измерения арктического морского льда), [9] в явление, известное как арктическое усиление . Моделирование показывает, что сильное усиление Арктики происходит только в те месяцы, когда происходит значительная потеря морского льда, и что оно в значительной степени исчезает, когда моделируемый ледяной покров остается неизменным. [8] И наоборот, высокая стабильность ледяного покрова в Антарктиде, где толщина Восточно-Антарктического ледникового щита позволяет ему подниматься почти на 4 км над уровнем моря, означает, что на этом континенте не наблюдалось никакого суммарного потепления за последние семь десятилетий. : [18] потеря льда в Антарктике и ее вклад в повышение уровня моря полностью обусловлены потеплением Южного океана , который поглотил 35–43% общего тепла, поглощенного всеми океанами в период с 1970 по 2017 год. [ 19]
Обратная связь между льдом и альбедо также оказывает меньшее, но все же заметное влияние на глобальные температуры. По оценкам , сокращение морского льда в Арктике в период с 1979 по 2011 год стало причиной радиационного воздействия 0,21 Вт на квадратный метр (Вт/м 2 ) , что эквивалентно четверти радиационного воздействия от увеличения CO 2 [13] за тот же период. . По сравнению с совокупным увеличением радиационного воздействия парниковых газов с начала промышленной революции , оно эквивалентно расчетному радиационному воздействию закиси азота в 2019 году (0,21 Вт/м 2 ), что составляет почти половину радиационного воздействия метана в 2019 году (0,54 Вт/м2). м 2 ) и 10% совокупного увеличения CO 2 (2,16 Вт/м 2 ). [20] В период с 1992 по 2015 год этот эффект был частично компенсирован ростом морского ледяного покрова вокруг Антарктиды , что привело к похолоданию примерно на 0,06 Вт/м 2 за десятилетие. Однако впоследствии морской лед Антарктики начал сокращаться, а совокупная роль изменений ледяного покрова в период с 1992 по 2018 год эквивалентна 10% всех антропогенных выбросов парниковых газов . [10]
Влияние обратной связи альбедо льда на температуру усилится в будущем, поскольку, по прогнозам, сокращение морского льда в Арктике станет более выраженным, с вероятной почти полной потерей морского ледяного покрова (падение ниже 1 миллиона км 2 ) в конце Арктическое лето в сентябре хотя бы один раз до 2050 года при всех сценариях изменения климата [20] и примерно к 2035 году при сценарии постоянного ускорения выбросов парниковых газов. [22]
Поскольку сентябрь знаменует собой конец арктического лета, он также представляет собой надир морского ледяного покрова в современном климате, причем ежегодный процесс восстановления начинается арктической зимой . Последовательные безледные сентябрьские месяцы считаются маловероятными в ближайшем будущем, но их частота будет увеличиваться по мере увеличения уровня глобального потепления: в статье 2018 года подсчитано, что безледный сентябрь будет происходить один раз в каждые 40 лет при потеплении на 1,5 °C. (2,7 °F), но один раз в 8 лет при температуре ниже 2 °C (3,6 °F) и один раз в каждые 1,5 года при температуре ниже 3 °C (5,4 °F). [23] Это означает, что потеря арктического морского льда в сентябре или в начале лета не будет необратимой, и в сценариях, когда глобальное потепление начнет обращать вспять, его годовая частота также начнет снижаться. Как таковое, это не считается одним из переломных моментов в климатической системе .
Примечательно, что хотя потеря морского ледяного покрова в сентябре станет историческим событием, имеющим серьезные последствия для арктических диких животных, таких как белые медведи , ее влияние на обратную связь ледяного альбедо относительно ограничено, поскольку общее количество солнечной энергии, получаемой Арктикой в Сентябрь уже очень низкий. С другой стороны, даже относительно небольшое сокращение площади морского льда в июне имело бы гораздо больший эффект, поскольку июнь представляет собой пик арктического лета и наиболее интенсивный перенос солнечной энергии. [13] По оценкам моделей CMIP5 , полная потеря арктического морского ледяного покрова с июня по сентябрь приведет к повышению глобальной температуры на 0,19 °C (0,34 °F) в диапазоне 0,16–0,21 °C, в то время как региональные температуры повысятся. более чем на 1,5 °C (2,7 °F). Эта оценка включает не только саму обратную связь по альбедо льда, но и ее эффекты второго порядка, такие как влияние такой потери морского льда на обратную связь по градиенту скорости , изменения в концентрациях водяного пара и региональные обратные связи по облакам. [12] Поскольку эти расчеты уже являются частью каждой модели CMIP5 и CMIP6, [24] они также включены в их прогнозы потепления по каждому пути изменения климата и не представляют собой источник «дополнительного» потепления помимо существующих прогнозов. .
Очень высокий уровень глобального потепления может помешать образованию арктического морского льда во время арктической зимы. В отличие от безледного лета, эта свободная ото льда арктическая зима может стать необратимым переломным моментом. Наиболее вероятно, что это произойдет при температуре около 6,3 °C (11,3 °F), хотя потенциально это может произойти уже при 4,5 °C (8,1 °F) или уже при 8,7 °C (15,7 °F). [14] [21] Хотя арктический морской лед исчезнет на целый год, это окажет влияние на обратную связь альбедо льда только в те месяцы, когда Арктика получает солнечный свет, то есть с марта по сентябрь. Разница между этой общей потерей морского льда и его состоянием в 1979 году эквивалентна триллиону тонн выбросов CO 2 [13] – около 40% от 2,39 триллионов тонн совокупных выбросов в период с 1850 по 2019 год, [20] хотя и около четверти часть этого воздействия уже произошла с нынешней потерей морского льда. По сравнению с сегодняшним днем безледная зима будет иметь влияние на глобальное потепление на 0,6 °C (1,1 °F), а региональное потепление составит от 0,6 °C (1,1 °F) до 1,2 °C (2,2 °F). [21]
Обратная связь между льдом и альбедо также возникает с другими крупными массами льда на поверхности Земли, такими как горные ледники , ледниковый щит Гренландии , ледниковый щит Западной Антарктики и Восточной Антарктики . Однако ожидается, что их крупномасштабное таяние займет столетия или даже тысячелетия, и любые потери площади в период до 2100 года будут незначительными. Таким образом, модели изменения климата не включают их в свои прогнозы изменения климата в 21 веке: эксперименты, в которых они моделируют их исчезновение, показывают, что полная потеря Гренландского ледникового щита добавляет 0,13 °C (0,23 °F) к глобальному потеплению (с диапазоном 0,04–0,06 °C), в то время как потеря Западно-Антарктического ледникового щита добавляет 0,05 °C (0,090 °F) (0,04–0,06 °C), а потеря горных ледников добавляет 0,08 °C (0,14 °F) ( 0,07–0,09 °С). [12] Поскольку ледяной покров Восточной Антарктики не будет подвергаться риску полного исчезновения до тех пор, пока не будет достигнуто очень высокое глобальное потепление на 5–10 °C (9,0–18,0 °F), и поскольку ожидается, что его полное таяние займет минимум Если даже через 10 000 лет он полностью исчезнет, это редко учитывается в таких оценках. Если это произойдет, то максимальное влияние на глобальную температуру, как ожидается, составит около 0,6 °C (1,1 °F). Полная потеря ледникового покрова Гренландии повысит региональные температуры в Арктике на 0,5–3 °C (5,4 °F), тогда как региональная температура в Антарктиде, вероятно, повысится на 1 °C ( 1,8 ° F) после исчезновения ледникового щита Западной Антарктики и 2 ° C (3,6 ° F) после исчезновения ледникового щита Восточной Антарктики. [21]
Обратная связь с неуправляемым льдом и альбедо также была важна для формирования Земли-снежка - климатического состояния очень холодной Земли с практически полным ледяным покровом. Палеоклиматические данные свидетельствуют о том, что Земля-снежок началась со стертианского оледенения около 717 миллионов лет назад . Он сохранялся примерно до 660 млн лет назад, но всего несколько миллионов лет спустя за ним последовал другой период Снежка, Мариноское оледенение , который длился примерно до 634 млн лет назад. [5] Геологические данные показывают наличие ледников вблизи экватора, [25] и модели предполагают, что определенную роль сыграла обратная связь между льдом и альбедо. По мере образования большего количества льда большая часть поступающей солнечной радиации отражалась обратно в космос, вызывая падение температуры на Земле. Вопрос о том, была ли Земля цельным снежным комом (полностью замерзшим) или снежным комом с тонкой экваториальной полосой воды, остается спорным [26] , но механизм обратной связи лед-альбедо остается важным в обоих случаях.
Кроме того, конец периодов Земли-снежка также повлек бы за собой обратную связь с альбедо льда. Было высказано предположение, что дегляциация началась после того, как на снежно-ледяной поверхности скопилось достаточно слоев пыли от эрозии , что существенно понизило ее альбедо. Вероятно, это началось в регионах средних широт , поскольку, хотя они были холоднее, чем тропики , они также получали меньше осадков , и поэтому было бы меньше свежего снега, который мог бы похоронить накопление пыли и восстановить альбедо. Как только средние широты потеряли бы достаточное количество льда, это не только помогло бы повысить температуру по всей планете, но и изостатический отскок в конечном итоге привел бы к усилению вулканизма и, следовательно, к накоплению CO 2 , что было бы невозможно раньше. . [6]
На Земле климат находится под сильным влиянием взаимодействия с солнечной радиацией и процессов обратной связи. Можно было бы ожидать, что экзопланеты вокруг других звезд также будут испытывать процессы обратной связи, вызванные звездным излучением, которое влияет на климат мира. При моделировании климата других планет исследования показали, что обратная связь лед-альбедо гораздо сильнее на планетах земной группы , вращающихся вокруг звезд (см.: звездная классификация ), имеющих высокое ближнее ультрафиолетовое излучение . [2]