Обратная связь лед-альбедо — это обратная связь изменения климата , где изменение площади ледяных шапок , ледников и морского льда изменяет альбедо и температуру поверхности планеты. Поскольку лед очень отражающий, он отражает гораздо больше солнечной энергии обратно в космос, чем открытая вода или любой другой покров суши . [1] Это происходит на Земле , а также может происходить на экзопланетах . [2]
Поскольку в более высоких широтах самые низкие температуры, они, скорее всего, будут иметь вечный снежный покров, широко распространенные ледники и ледяные шапки - вплоть до возможности образования ледяных щитов . [3] Однако, если произойдет потепление, то более высокие температуры уменьшат площадь, покрытую льдом, и обнажат больше открытой воды или суши. Альбедо уменьшается, и поэтому поглощается больше солнечной энергии, что приводит к 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 лед-альбедо играет важную роль в глобальном изменении климата . Она была важна как для начала условий Snowball Earth около 720 миллионов лет назад , так и для их окончания около 630 миллионов лет назад: [5] дегляциация , вероятно, включала постепенное потемнение альбедо из-за накопления пыли . [6] В более геологически недавнем прошлом эта обратная связь была основным фактором наступления и отступления ледяного покрова в период плейстоцена (~2,6 млн лет назад - ~10 тыс. лет назад). [7] Совсем недавно антропогенное увеличение выбросов парниковых газов имело множество последствий по всему миру, и сокращение арктического морского льда было одним из самых 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 продолжающееся десятилетиями таяние льда в Арктике и недавнее сокращение морского льда в Антарктиде оказали такое же потепление в период с 1992 по 2018 год, как 10% всех парниковых газов, выброшенных за тот же период. [10]
Обратная связь лед-альбедо присутствовала в некоторых из самых ранних климатических моделей , поэтому они моделировали эти наблюдаемые воздействия в течение десятилетий. [3] [11] Следовательно, их прогнозы будущего потепления также включают будущие потери морского льда наряду с другими факторами изменения климата. [12] Подсчитано, что постоянная потеря в течение арктического лета, когда Солнце светит наиболее интенсивно, а 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 от потери как горных ледников , так и ледяных щитов в Гренландии и Антарктиде . Однако потепление от их потери, как правило, меньше, чем от сокращения морского льда, и также потребуется очень много времени, чтобы увидеть его в полной мере. [12] [14]
В 1950-х годах первые климатологи, такие как Сюкуро Манабэ, 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 были представлены некоторые из первых моделей энергетического баланса климата , демонстрирующие, что отражательная способность льда оказывает существенное влияние на климат Земли, и что изменения в снежно-ледяном покрове в любом направлении могут действовать как мощная обратная связь. [1] [15] [16] [11]
Этот процесс вскоре был признан важнейшей частью моделирования климата в обзоре 1974 года [3] , а в 1975 году модель общей циркуляции , использованная Манабе и Ричардом Т. Везеральдом для описания эффектов удвоения концентрации CO2 в атмосфере — ключевого измерения чувствительности климата — также уже включала то, что она описала как «обратную связь снежного покрова». [17] Обратная связь альбедо льда продолжает включаться в последующие модели. [12] Расчеты обратной связи также применяются к исследованиям палеоклимата , например, периода плейстоцена (~2,6 млн лет назад — ~10 тыс. лет назад). [7]
Обратная связь между снегом и альбедо льда оказывает существенное влияние на региональные температуры. В частности, наличие ледяного покрова и морского льда делает Северный и Южный полюсы холоднее, чем они были бы без него. [4] Следовательно, недавнее сокращение площади арктического морского льда является одним из основных факторов, обусловливающих потепление в Арктике, которое почти в четыре раза превышает средний мировой показатель с 1979 года (года, когда начались непрерывные спутниковые измерения арктического морского льда), в явлении, известном как арктическое усиление . [9]
Исследования моделирования показывают, что сильное усиление Арктики происходит только в те месяцы, когда происходит значительная потеря морского льда, и что оно в значительной степени исчезает, когда имитируемый ледяной покров остается неподвижным. [8] Напротив, высокая стабильность ледяного покрова в Антарктиде, где толщина Восточно-Антарктического ледяного щита позволяет ему подниматься почти на 4 км над уровнем моря, означает, что этот континент испытал очень небольшое чистое потепление за последние семь десятилетий, большая часть которого была сосредоточена в Западной Антарктиде. [18] [19] [20] Потеря льда в Антарктиде и ее вклад в повышение уровня моря вместо этого в основном обусловлены потеплением Южного океана , который поглотил 35–43% общего тепла, поглощенного всеми океанами в период с 1970 по 2017 год. [21]
Обратная связь лед-альбедо также оказывает меньшее, но все же заметное влияние на глобальные температуры. По оценкам, сокращение арктического морского льда в период с 1979 по 2011 год было ответственно за 0,21 Вт на квадратный метр (Вт/м 2 ) радиационного воздействия , что эквивалентно четверти радиационного воздействия от увеличения CO 2 [13] за тот же период. Если сравнивать с кумулятивным увеличением радиационного воздействия парниковых газов с начала промышленной революции , оно эквивалентно расчетному радиационному воздействию 2019 года от закиси азота (0,21 Вт/м 2 ), почти половине радиационного воздействия 2019 года от метана (0,54 Вт/м 2 ) и 10% кумулятивного увеличения CO 2 (2,16 Вт/м 2 ). [22] В период с 1992 по 2015 год этот эффект был частично компенсирован ростом морского ледяного покрова вокруг Антарктиды , что привело к охлаждению примерно на 0,06 Вт/м2 за десятилетие. Однако впоследствии морской лед Антарктиды также начал таять, и совокупная роль изменений в ледяном покрове между 1992 и 2018 годами эквивалентна 10% всех антропогенных выбросов парниковых газов . [10]
Влияние обратной связи между альбедо и льдом на температуру усилится в будущем, поскольку, по прогнозам, сокращение площади арктического морского льда станет более выраженным, с вероятной почти полной потерей морского ледяного покрова (падением ниже 1 миллиона км2 ) в конце арктического лета в сентябре по крайней мере один раз до 2050 года при всех сценариях изменения климата [22] и около 2035 года при сценарии постоянного ускорения выбросов парниковых газов. [24]
Поскольку сентябрь знаменует собой конец арктического лета, он также представляет собой надир морского ледяного покрова в современном климате, с ежегодным процессом восстановления, начинающимся арктической зимой . Последовательные безледные сентябрьские периоды считаются крайне маловероятными в ближайшем будущем, но их частота будет увеличиваться с более высокими уровнями глобального потепления: в статье 2018 года подсчитано, что безледный сентябрь будет происходить раз в 40 лет при потеплении на 1,5 °C (2,7 °F), но раз в 8 лет при 2 °C (3,6 °F) и раз в 1,5 года при 3 °C (5,4 °F). [25] Это означает, что потеря арктического морского льда в сентябре или ранее летом не будет необратимой, и в сценариях, когда глобальное потепление начнет обращаться вспять, его годовая частота также начнет снижаться. Таким образом, это не считается одной из точек невозврата в климатической системе . [14] [23]
Примечательно, что хотя потеря морского ледяного покрова в сентябре станет историческим событием со значительными последствиями для арктической фауны, такой как белые медведи , ее влияние на обратную связь лед-альбедо относительно ограничено, поскольку общее количество солнечной энергии, полученной Арктикой в сентябре, уже очень низкое. С другой стороны, даже относительно небольшое сокращение площади морского льда в июне будет иметь гораздо больший эффект, поскольку июнь представляет собой пик арктического лета и наиболее интенсивную передачу солнечной энергии. [13]
Модели CMIP5 оценивают, что полная потеря арктического морского ледяного покрова с июня по сентябрь приведет к повышению глобальной температуры на 0,19 °C (0,34 °F) с диапазоном 0,16–0,21 °C, в то время как региональные температуры увеличатся более чем на 1,5 °C (2,7 °F). Эта оценка включает в себя не только саму обратную связь между альбедо и льдом, но и ее эффекты второго порядка, такие как влияние такой потери морского льда на обратную связь по градиенту температуры , изменения в концентрации водяного пара и региональные обратные связи облаков. [12] Поскольку эти расчеты уже являются частью каждой модели CMIP5 и CMIP6, [26] они также включены в их прогнозы потепления при каждом пути изменения климата и не представляют собой источник «дополнительного» потепления в дополнение к их существующим прогнозам.
Очень высокий уровень глобального потепления может помешать арктическому морскому льду восстановиться во время арктической зимы. В отличие от свободного ото льда лета, эта свободная ото льда арктическая зима может представлять собой необратимую точку невозврата. Скорее всего, 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] [23] Хотя арктический морской лед исчезнет на целый год, это повлияет на обратную связь лед-альбедо 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 CO2 [13] - около 40% от 2,39 триллиона тонн совокупных выбросов между 1850 и 2019 годами, [22] хотя около четверти этого воздействия уже произошло с текущей потерей морского льда. Относительно настоящего момента, зима без льда имела бы глобальное потепление на 0,6 °C (1,1 °F), с региональным потеплением от 0,6 °C (1,1 °F) до 1,2 °C (2,2 °F). [23]
Обратная связь лед-альбедо также происходит с другими крупными ледяными массами на поверхности Земли, такими как горные ледники , Гренландский ледяной щит , Западно-Антарктический и Восточно-Антарктический ледяные щиты . Однако ожидается, что их крупномасштабное таяние займет столетия или даже тысячелетия, и любая потеря площади между настоящим моментом и 2100 годом будет незначительной. 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 ледяного щита добавляет 0,13 °C (0,23 °F) к глобальному потеплению (в диапазоне 0,04–0,06 °C), в то время как потеря Западно-Антарктического ледяного 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 °C). [12] Эти оценки предполагают, что глобальное потепление остается на уровне в среднем 1,5 °C (2,7 °F). Из-за логарифмического роста парникового эффекта [27] : 80 воздействие потери льда будет больше при немного более низком уровне потепления в 2020-х годах, но оно станет меньше, если потепление продолжится в сторону более высоких уровней. [12]
Поскольку Восточно-Антарктический ледяной щит не будет подвергаться риску полного исчезновения до тех пор, пока не будет достигнуто очень высокое глобальное потепление в 5–10 °C (9,0–18,0 °F), и поскольку его полное таяние, как ожидается, займет минимум 10 000 лет, чтобы полностью исчезнуть даже тогда, его редко учитывают в таких оценках. Если это произойдет, максимальное воздействие на глобальную температуру, как ожидается, составит около 0,6 °C (1,1 °F). Полная потеря Гренландского ледяного щита приведет к повышению региональных температур в Арктике на 0,5 °C (0,90 °F) и 3 °C (5,4 °F), в то время как региональная температура в Антарктиде, вероятно, вырастет на 1 °C (1,8 °F) после потери Западно-Антарктического ледяного щита и на 2 °C (3,6 °F) после потери Восточно-Антарктического ледяного щита. [23]
Убегающая обратная связь лед-альбедо также была важна для формирования Snowball Earth — климатического состояния очень холодной Земли с практически полным ледяным покровом. Палеоклиматические данные свидетельствуют о том, что Snowball Earth началась с оледенения Стерта около 717 миллионов лет назад . Оно сохранялось до примерно 660 миллионов лет назад, но за ним последовал еще один период Snowball, оледенение Марино , всего несколько миллионов лет спустя, которое продолжалось до примерно 634 миллионов лет назад. [5]
Геологические данные показывают, что в то время ледники находились вблизи экватора, и модели предполагают, что обратная связь лед-альбедо играла свою роль. [28] По мере того, как образовывалось больше льда, больше входящего солнечного излучения отражалось обратно в космос, вызывая падение температуры на Земле. Была ли Земля полностью твердым снежным комом (полностью замерзшим) или шаром слякоти с тонкой экваториальной полосой воды, все еще остается предметом споров, но механизм обратной связи лед-альбедо остается важным для обоих случаев. [29]
Кроме того, конец периодов Snowball Earth также включал бы обратную связь лед-альбедо. Было высказано предположение, что дегляциация началась, как только достаточно пыли от эрозии накопилось в слоях на поверхности снега-льда, чтобы существенно снизить его альбедо. Это, вероятно, началось бы в регионах средних широт , поскольку, хотя они были бы холоднее тропиков , они также получали бы меньше осадков , и поэтому было бы меньше свежего снега, чтобы похоронить накопленную пыль и восстановить альбедо. Как только средние широты потеряли бы достаточно льда, это не только помогло бы повысить температуру всей планеты, но и изостатический отскок в конечном итоге привел бы к усилению вулканизма и, таким образом, накоплению CO 2 , что было бы невозможно раньше. [6]
На Земле климат в значительной степени зависит от взаимодействия с солнечной радиацией и процессов обратной связи. Можно было бы ожидать, что экзопланеты вокруг других звезд также будут испытывать процессы обратной связи, вызванные звездной радиацией, которые влияют на климат мира. При моделировании климата других планет исследования показали, что обратная связь лед-альбедо намного сильнее на планетах земной группы , которые вращаются вокруг звезд (см.: звездная классификация ), которые имеют высокое ближнее ультрафиолетовое излучение . [2]