Antarkties paskutinis tarplacinio izotopo pikas reaguojant į jūros ledo atsitraukimą, o ne ledo sluoksnio griūtis | gamtos komunikacijos

Antarkties paskutinis tarplacinio izotopo pikas reaguojant į jūros ledo atsitraukimą, o ne ledo sluoksnio griūtis | gamtos komunikacijos

Anonim

Anotacija

Keletas tyrimų rodo, kad jūros lygio kilimas per paskutinį tarpledyninį lemia Vakarų Antarkties ledyno (WAIS) atsitraukimą. Vyrauja hipotezė, kad trauktis sutapo su didžiausia Antarkties temperatūra ir stabiliomis vandens izotopų vertėmis prieš 128 000 metų (128 ka); labai anksti paskutiniame tarpsnyje. Analizuodami klimato modelio modeliavimus, susijusius su paskutiniais tarpšlakiniais WAIS nuostoliais, kuriuose yra vandens izotopai, mes parodome, kad izotopinis atsakas į WAIS praradimą priešinasi izotopų įrodymui esant 128 ka. Vietoj to, žiemos jūros ledo ploto sumažinimas 65 ± 7% visiškai paaiškina pagrindinius 128 km ledo duomenis. Mūsų pastebimas pastebimas jūros ledo traukimasis 128 karatų atstumu rodo Antarkties jūros ledo laipsnio jautrumą klimato atšilimui.

Įvadas

Per paskutinį tarpledyninį (LIG; prieš 130 000–115 000 metų) pasaulinis klimatas buvo šiltesnis nei šiandien 1, 2, 3, 4, o vidutinis pasaulinis jūros lygis buvo 6–9 m aukštesnis nei 5, 6, 7, 8, 9, 10 (pav. .1). Šį LIG aukštą jūros lygį daugiausia lėmė ledo sluoksnio nuostoliai 5, 11 . Naujausi ledo šerdies rezultatai rodo, kad Grenlandijos ledo sluoksnis gali duoti nedidelį 2 m indėlį į pasaulinį jūros lygio kilimą 5, numatant nuo +1, 4 m iki +4, 3 m 12 . Tai reiškia, kad ledo praradimas dėl Vakarų Antarkties ledyno (WAIS) turėjo prisidėti prie LIG maksimalių jūros lygio pokyčių: praradus visą WAIS, pasaulinis jūros lygis pakils 3–4 mln. Metrų, 13, 14 . Vakarų Australijos koralų įrašai rodo, kad jūros lygis pakilo tarpukariu vėlai, prieš 118 000 metų (prieš 118 kirų) 9 . Tačiau Seišelių koralas buvo aiškinamas kaip +5 m pasaulinio jūros lygio rodiklis esant 128 ka 6 . Šie skirtingi aiškinimai neleidžia suvaržyti WAIS praradimo laiko, taigi sumažėja galimybė naudoti LIG siekiant informuoti diskusijas apie WAIS praradimo tikimybę ateityje 11, 13, 14 . Todėl mes kreipiamės į pagrindinius ledo įrašus, kad paspartintume diskusijas dėl WAIS nuostolių.

Image

a ) Stabilių vandens izotopų ( δ 18 O ir δ D) anomalijos, palyginti su paskutiniais 3 kilometrais prieš tai iš keturių gilių ledo šerdžių 16 : „Vostok“ (mėlyna), „Dome“ (DF; raudona), EPICA „C“ (EDC; pilka) δ D ir violetinė, kai δ 18 O) ir EPICA Dronning Maud Land (EDML; oranžinė). b ) 7 -asis jūros lygis (purpurinė kreivė; sunkioji linija žymi vidutinę projekciją, punktyrinės linijos yra 16-asis ir 84-asis procentiliai, punktyrinėmis linijomis yra 2, 5-asis ir 97, 5-asis procentiliai) ir Raudonosios jūros santykinis jūros lygio 10 įrašas (ruda kreivė; linija rodo maksimalią tikimybę, o užtemimas reiškia 95% pasikliovimo ribas). Antarkties izotopo smailė, esanti prieš 128 ± 2 kyrus, yra pilkos spalvos.

Visas dydis

Neseniai per WAIS Divide 15 išgręžtas ledo šerdis nepraeina pro LIG; ledas, kuris galėjo būti LIG metu, buvo prarastas dėl bazinio lydymosi. Tačiau ledo šerdys, besidriekiančios visoje LIG, yra mažesnės kaip 200 metų vienam ledo metrui 16, yra iš keturių Rytų Antarktidos ledo lapo vietų (EAIS; 1 pav.). Iš vakarų į rytus tai yra: EPICA Dronning Maud Land (EDML); Kupolas F (DF); Vostok; ir EPICA Dome C (EDC). Visos šios keturios ledo šerdys užfiksuotos izotopo maksimumu ∼ 128 ka, siejant su didžiausia Antarkties šiluma 1, 17, 18 . Palyginti su paskutiniais 3 kyr. Atgal, šis LIG izotopų maksimumas yra nuo 2 iki 4 ‰ δ 18 O. Yra pasiūlyta, kad norint paaiškinti šio izotopo maksimalų dydį 4, 19, reikia WAIS nuostolių. Tačiau egzistuoja alternatyvi hipotezė; kad sumažėjęs pietinio pusrutulio jūros ledo kiekis pateikia alternatyvų 128 ka izotopo maksimumo 15, 20, 21, 22 paaiškinimą . Ir ledo, ir vandenyno pagrindiniai įrodymai rodo, kad didelis Antarkties jūros ledo krašto atsitraukimas galėjo vykti ties 128 ka 21, 22, 23 .

Atliekame keletą klimato modelio eksperimentų, kuriuose yra δ 18 O (nuoroda 24). Įvertinome eksperimentus, įskaitant WAIS praradimą ir pietinio pusrutulio jūros ledo traukimąsi esant 128 karatų atstumui, atsižvelgiant į esamus Antarkties ledo pagrindinius duomenis (išsamią informaciją apie metodus rasite metoduose ir 1 papildomoje lentelėje). Mūsų rezultatai rodo, kad visiškas WAIS griūtis negali paaiškinti didžiausio 128 ka δ 18 O dydžio ar erdvinio modelio. Pašalinus WAIS, pasikeičia atmosferos cirkuliacija ir kritulių sezoniškumas, paprastai mažinantis δ 18 O. Įskaitant WAIS, tirpstantis vanduo sumažina δ 18 O, gaivinant paviršinį vandenyną, todėl aušina ir plečiasi jūros ledas, o tai nepagerina modelio ir duomenų susitarimo. . Esant dideliam 65 ± 7% jūros ledo pakilimui, padidėja δ 18 O ir gaunamas geras modelio ir duomenų susitarimas. Šis atradimas turės įtakos jūros ledo projekcijai ateityje šiltesniame klimate.

Rezultatai

128 ka imitacijos su WAIS morfologijos pokyčiais

Izotopinis atsakas tik į 128 kab orbitalę ir šiltnamio efektą sukeliančias dujas (ir WAIS morfologijos pokyčių nėra; 1 papildomas paveikslas) yra silpnas (2a pav.). Imituojamos δ 18 O anomalijos ledo šerdies vietose yra nuo –1, 55 iki + 0, 26 ‰, palyginti su ikipramoninio (PI) kontrolės eksperimentu. Kai imituojamas atsakas į likusį 200 m WAIS, δ 18 O anomalijos ledo šerdies vietose svyruoja nuo –0, 18 iki + 0, 96 ‰ (2b pav.); o visiškai pašalinus WAIS ir sukūrus naujus vandenynų regionus, imituotos δ 18 O anomalijos dar labiau sumažėja iki –2, 78 iki + 0, 63 ‰ (2c pav.). Visuose eksperimentuose su sumažinta WAIS imituojamos δ 18 O anomalijos yra labai teigiamos, palyginti su WAIS. Dėl sumažėjusio aukščio paviršiaus oro temperatūra padidėja maždaug proporcingai nuotėkio greičiui (∼ 6 ° C km – 1 ; papildomas 2 pav.), O tai savo ruožtu praturtina vietinių garų izotopinę sudėtį. Jei įtrauksime tirpstančio vandens poveikį, atsirandantį dėl WAIS griūties, δ 18 O išeikvojimas tampa ryškesnis (2d pav.). Sumažėjus pietinio vandenyno šaltinio vandeniui δ 18 O kartu su jūros ledo išsiplėtimu, abu sumažėja δ 18 O ledo šerdies vietose. Šie imituoti δ 18 O rezultatai iš kiekvieno iš mūsų trijų WAIS praradimų scenarijų neatitinka 128 ka δ 18 O verčių pagal ledo šerdies duomenis.

Image

Kritulių, įvertintų δ 18 O, anomalijos, palyginti su ikipramoniniu (PI) kontroliniu eksperimentu (LIG-PI), atliekant 128 kyrų modeliavimą su ( a ) modernia WAIS konfigūracija, b ) WAIS išlyginta (nurodoma užgniaužus), c ) WAIS pašalintas ir pakeistas nauju vandenyno regionu (pažymėtu kryžminiu brūkšniu), ir d ) WAIS pašalintas ir lydymasis vanduo pridedamas prie Pietinio vandenyno. Užpildytuose apskritimuose pavaizduota ledo šerdies δ 18 O anomalija, kai LIG maksimumas yra ∼ 128 kilos atgal (metodai). Pilkos linijos žymi 15% rugsėjo mėnesio jūros ledo koncentracijos ribą.

Visas dydis

Δ 18 O pokyčių skilimas

Ledo šerdies vietose tiek izotopinės sudėties pokyčiai, tiek kritulių sezoniškumas prisideda prie imituojamų neigiamų δ 18 O anomalijų. Nors dėl WAIS praradimo krituliai virš ledo šerdies vietų yra linkę praturtėti šaltesniais mėnesiais, padidėjusi kritulių dalis, kritusi šaltesniais mėnesiais, lemia bendrą δ 18 O išeikvojimą (papildomi 3 ir 4 pav.).

Norėdami apibūdinti santykinį kritulių poveikį ir δ 18 O sezoniškumą, pirmiausia išskiriame δ 18 O pokyčius, atsirandančius dėl sezoninio kritulių ciklo pokyčių (Δ P jūrų ) 25 ;

Image

Viršutinis indeksas MOD nurodo 128 ka eksperimento vertes, naudodamas modernią WAIS konfigūraciją, o joks superrašas nerodo WAIS jautrumo eksperimentų verčių. Skirtumas tarp bendro δ 18 O pokyčio (Δ δ 18 O) ir Δ P jūrų parodo kitą poveikį, prisidedantį prie stebimos δ 18 O anomalijos (pvz ., Kritulių δ 18 O ir šaltinio garų kintamumas);

Image

Visiems WAIS rekolekcijų scenarijams (likęs WAIS, WAIS pašalintas ir pakeistas vandenynu, o WAIS pašalintas ir lydymasis vanduo pridedamas prie pietinio vandenyno) Δ P jūros yra neigiamas; didesnė kritulių dalis patenka į EAIS šaltaisiais mėnesiais, kai nėra WAIS (3b pav., e, h). Tai skiriasi nuo Holdeno ir kt. Atliktų WAIS nuostolių eksperimentų . 19, stebinčių padidėjusį vasaros kritulių kiekį. Šis neatitikimas greičiausiai paaiškinamas modeliavimo struktūros skirtumais; Holden ir kt. apima skirtingą sienų priverstinį išstūmimą (pasirinktas prieš 130 kyrų), WAIS pakeista 200 m aukštyje esančia „be ledų“ žeme ir 1 Sv gėlo vandens, pridėto prie Šiaurės Atlanto.

Image

( a - c ) likęs butas WAIS; d – f ) WAIS pašalinta ir pakeista vandenynu; ( g – i ) WAIS pašalintas ir lydymasis vanduo įpilamas į Pietų vandenyno paviršių. ( a, d, g ) Bendras δ 18 O pokytis tarp eksperimentų (Δ δ 18 O). ( b, e, h ) Pokytis dėl sezoninio kritulių ciklo pokyčių (Δ P jūrose ). ( c, f, i ) Pokytis dėl kitų reiškinių, tokių kaip mėnesio kritulių izotopinė sudėtis (Δ δ ). Anomalijos yra apskaičiuojamos, palyginti su 128 kyrų senumo eksperimentu, naudojant modernią WAIS konfigūraciją. Šis skaičiavimas buvo atliktas naudojant izotopinę išvestį iš natūrinio modelio tinklelio, be pakartotinių lentelių sudarymo, nes reikėjo kas mėnesį išspręstų duomenų (žr. Metodai).

Visas dydis

Δ δ pokyčiai yra labai teigiami, palyginti su WAIS, atliekant visus eksperimentus su sumažinta WAIS, o tai yra tiesioginis atsakas į aukščiau paminėtą mažesnį pakilimą ir su juo susijusį atšilimą (3c pav., F, i). WAIS traukimosi scenarijai skiriasi Δ δ per EAIS. Likęs plokščias WAIS yra Δ δ teigiamas per EAIS, bet tampa neigiamas, kai WAIS pašalinamas ir pakeičiamas vandenynu. Tai rodo, kad keičiasi kritulių intensyvumas, kritęs per EAIS, ir (arba) kritulių šaltinio regiono pokyčiai, kai WAIS pakeičiama vandenynu. Tokie kritulių kiekio ir (arba) intensyvumo pokyčiai virš Antarktidos atitiktų numatomus aukštų pietinių platumų šiluminių charakteristikų pokyčius; žemesnė AIS topografija buvo susieta su sustiprėjusiais ciklonais visame žemyne ​​(slopinama aukštesnei AIS) 26 . Dėl šių pokyčių daugiau audrų gali keliauti per žemyną, nes tai yra pagrindinis drėgmės gabenimo sausumos keliais mechanizmas 26 .

Kai WAIS pakeičiama vandenynu ir į pietų vandenyną pridedamas tirpimo vanduo, Δ δ yra neigiamas visur, išskyrus aukščio sukeltas teigiamas WAIS anomalijas (3i pav.). Tai yra atsakas į išeikvotą nustatyto ištirpinto vandens izotopinę sudėtį (-30 ‰), išeikvojančią Pietų vandenyno paviršiaus izotopinę kompoziciją, kuri yra Antarkties kritulių šaltinis, ir gėlo vandens sukeltą išsiplėtimą Pietų pusrutulio jūros leduose.

128 ka imitacijos su WAIS ir jūros ledo traukimasis

Jūros ledo traukimasis esant ir WAIS nėra, abu praturtina δ 18 O ledo šerdies vietose. Vandens garai santykinai praturtėja sunkiaisiais izotopais, reaguodami į garavimo iš naujų vandens paviršių, kuriuos palieka jūros ledas, garą. Sumažėjęs atmosferos vandens garų atstumas tarp garinimo šaltinio ir kritulių vietos paprastai praturtina δ 18 O 20 . Tačiau rytinėje Antarktidoje yra dideli skirtumai tarp δ 18 O reakcijos į WAIS buvimą ir WAIS praradimą. Atlikę Bajeso analizę, mes įvertiname, kuris iš šių scenarijų geriausiai paaiškina stebėtus duomenis (daugiau informacijos žr. „Metodai“). Mūsų rezultatai labai patvirtina išvadą, kad WAIS dalyvavo 128 ka. Palyginus du scenarijus, naudojant statistinį modelio palyginimą, tikimybės santykis yra 200, jei yra WAIS, ty stebėjimai yra 200 kartų labiau tikėtini naudojant modelį su esama WAIS nei pašalinus WAIS. WAIS pašalintas scenarijus nepaaiškina stebimo δ 18 O matavimų erdvinio modelio, taip pat modelio modeliavimo, išlaikančio WAIS.

Kai yra WAIS, žiemos (rugsėjo mėn.) Jūros ledo ploto sumažėjimas 65% (užpakalinis vidurkis su 95% patikimumo intervalu 58–72%), palyginti su ikipramoniniu laikotarpiu, duomenų modelio atitiktį, geresnę kaip ± 0, 02 ‰. esant δ 18 O anomalijai Vostok ir EDML, geriau nei ± 0, 8 ‰ EDC ir ± 1, 1 ‰ esant DF (4a ir 5 pav.). Pašalinus WAIS, geriausi atitikimai ledo šerdies stebėjimams panašiai pasiekiami, kai jūros ledo kiekis sumažėja 66%. Tačiau neapibrėžtumo riba yra beveik keturis kartus didesnė (95% patikimas intervalas yra 32–87%), o modelio ir duomenų atitiktis yra prastesnė kiekvienoje vietoje; modelio duomenų δ 18 O atitiktis yra prastesnė nei ± 0, 05 ED esant EDML, ± 1, 0 ‰ prie Vostok, ± 1, 9 ‰ esant EDC ir ± 3, 5 ‰ esant DF (4b pav.). Šis daugelio ledo pagrindinių duomenų modelio palyginimas leidžia manyti, kad visiškas WAIS praradimas esant 128 kazoms yra nesuderinamas su pagrindiniais ledo įrodymais.

Image

Ledo šerdies vietose yra „Vostok“ (VOS; mėlyni apskritimai), „Dome F“ (DF; raudoni kvadratai), EDC (purpuriniai trikampiai) ir EDML (oranžiniai deimantai). Pateikti jūros ledo traukimosi eksperimentų rezultatai ir ( a ) moderni WAIS konfigūracija; b ) pašalinus WAIS ir pakeitus vandenynu. Jūros ledo traukimasis matuojamas kaip procentinis pokytis žiemos (rugsėjo) jūros ledo plote, palyginti su ikipramoninio valdymo eksperimentu. Užtemdyti vokai kiekvienoje vietoje imituojamu metiniu δ 18 O reiškia 1 SD. Prie kiekvienos svetainės pridėtos tinkamiausios linijos (spalvotos, kaip nurodyta aukščiau).

Visas dydis

Image

Kritulių svoris δ 18 O anomalijos (LIG-PI), interpoliuotos tarp 128 kyr prieš eksperimentus, kad geriausiai atitiktų ledo šerdies LIG maksimumą, o tai atitinka 65% jūros ledo traukimąsi, palyginti su ikipramoniniu. b ) rugsėjo mėnesio jūros ledo koncentracija (sic), atitinkanti a . Juodasis kontūras žymi imituojamą rugsėjo 15 d. Jūros ledo koncentracijos ribą. Mėlynas kontūras žymi palydovų stebėjimus 1978–2013 m.

Visas dydis

Diskusija

Čia mes tyrėme tik visišką WAIS praradimą, o ne WAIS mažinimo scenarijus. Taigi mūsų rezultatai neužkerta kelio tam tikram WAIS praradimui 128 kadais arba tam, kad WAIS galėjo būti prarasta vėliau LIG, galimai sąlygojant ankstyvu pietinio pusrutulio jūros ledo atsitraukimu. Iš tikrųjų WAIS praradimas nuo 128 iki 125 kyrų atgal ir tirpstantis pietų pusrutulio jūros ledo kaupimasis gali paaiškinti vėlyvą LIG δ 18 O kritimą, stebėtą pagrindiniuose ledo įrašuose; δ 18 O tendencija ankstyvajame LIG, turinti reikšmingą smailę ir vėlesnį kritimą, skiriasi nuo dabartinio tarpžvaigždyno izotopų įrašo (1 pav.). Mūsų rezultatai rodo, kad LIG izotopo tendencija gali atitikti WAIS griūtį ir jūros ledo kaupimąsi per artimiausius keletą tūkstančių izotopo metų.

Skirtumas tarp izotopų įrašų nuo Mt. Pagrindiniai „Moulton“ ir Rytų Antarktidos ledo įrašai 27 taip pat gali atitikti lėtą WAIS praradimą, kuris prieš maždaug 2000 metų galėjo būti ištirpęs dar po 2000 metų. Mažesnės izotopų anomalijos Mt. Moultono įrašai, palyginti su Rytų Antarktidos izotopų įrašais, rodo vietinę aušinimo anomaliją, kuri atitinka WAIS griūties, kurią sukėlė ikipramoninės ribinės sąlygos, klimato modelio modeliavimą 27 . Žemos izotopų vertės Mt. „Moulton“ įrašas, palyginti su kitomis ledo šerdies vietomis, išlieka visoje LIG, tačiau skirtumas yra didžiausias po after 126 kyrų, galbūt sutapimas su maksimaliu WAIS atsitraukimu. Atsižvelgiant į pagrįstą sutaptį tarp stebimų didžiausių iki mažiausių δ 18 O anomalijų ir apskaičiuotųjų tarp mūsų jūros ledo traukimosi ir WAIS praradimo eksperimentų (papildomas 5 pav.), Mes siūlome, kad didelis jūros ledo traukimasis geriausiai paaiškina ankstyvojo izotopo maksimumą. ir vėlesnis WAIS atsitraukimas ir jūros ledo kaupimasis galėtų paaiškinti stebėtą izotopų anomalijų modelį laikantis LIG maksimumo.

Dvipolis poliarinis važiavimo mechanizmas 28 siūlo, kad sulėtėjęs šilumos srautas vandenyno šiaurės kryptimi, ypač Atlanto vandenyne, sušildytų Pietų vandenyną. Šis mechanizmas atitinka naujausią bipolinį ankstyvojo LIG 29 aiškinimą, taip pat naujausią jūros paviršiaus temperatūros rekonstravimo tarp 40 ir 60 ° S sintezę (3 nuoroda). Jie visi palaiko pietinio vandenyno atšilimą 128 karatų atstumu, iš dalies paaiškindami, kodėl pietinio pusrutulio jūros ledas atsitraukė ties 128 karais. Būsimame darbe ištirsime, ar bipolinis pjūvis gali suteikti mechanizmą, sukeliantį didelį Pietų pusrutulio jūros ledo traukimąsi ir tokiu būdu suderinti maksimalų 128 ka δ 18 O. Tolesni modeliavimai, įskaitant WAIS praradimą ir Šiaurės Atlanto tirpimo vandens įvedimą, galėtų suteikti įžvalgos apie netiesinę sąsajas tarp bipolinio pamatinio kranto, WAIS ir Pietų pusrutulio jūros ledo.

Galiausiai pažymime panašumą tarp prognozuojamo žiemos jūros ledo sumažėjimo iki 58% 21-ojo amžiaus pabaigoje 12 ir mūsų 58–72% sumažinimo siūlomo 128 ka. Tai reiškia, kad 128 karai jūros ledo traukimasis gali būti svarbus modelio duomenų tikslas jūros ledo modeliavimo bendruomenei. Šiuo metu naujausiame sujungto modelio palyginimo projekto 5 etapo kelių modelių modeliuose 2, 12, 30 nėra imituojamas rugsėjo mėn. Jūros ledo ploto sumažėjimas> 13% tarp LIG ir dabartinio tarpglacinio (papildoma diskusija; 2 papildoma lentelė). Atsižvelgiant į nesutarimus tarp modeliuojamo ir stebimo Antarkties jūros ledo palydovų eros metu 31, daugelyje tyrimų paraginta patobulinti klimato ir klimato pokyčių modeliavimą Antarkties regione 31, 32, 33 . Ar šis paskutinis neatitikimas priklauso nuo natūralaus kintamumo 34 ar parodo dabartinių klimato modelių nesėkmę, vis dar diskutuotina 31 . Jei šiuo metu pastebimas Antarkties jūros ledo padidėjimas yra didelis, didelis sumažėjimas 128 kačių aukštyje galėtų reikšti jūros ledo sistemos viršūnę. LIG metu akivaizdžiai reikia daugiau (ir patikimesnių) duomenų apie Antarktidą ir aplinkinius jūros ledo kraštus. Jei būtų galima teisingai imituoti 128 karai jūros ledo sumažėjimą, tai pagerintų mažą pasitikėjimą, susijusį su būsimo pietinio pusrutulio jūros ledo pokyčių prognozėmis, ir vėliau pagerintų Antarkties temperatūros, kritulių ir masės balanso prognozes 35 .

Metodai

Pagrindiniai ledo duomenys

Keturi paskelbti pagrindiniai ledai iš Rytų Antarktidos apima LIG, kurių skiriamoji geba yra mažesnė kaip 200 metų metrui ledo 16 : „Vostok 36“, „DF 37“, „EDC 1“ ir „EDML 39“ . Dalinis izotopo kiekis deguonies-18 atžvilgiu išreiškiamas taip: δ 18 O = 1 000 × [(

Image

Image
O) / R VSMOW −1] (‰), kur R VSMOW yra santykis
Image
O iki
Image
O Vienos standartinis vidutinis vandenyno vanduo. Ledo šerdies izotopų įrašai sinchronizuojami su EDC3 amžiaus skale 39 ir interpoliuojami į bendrą 100 metų laiko lentelę, naudojant interpoliacijos taško metodą. Siekiant sumažinti likusio laikinojo nelygumų tarp ledo šerdžių poveikį, prieš imant LIG smailę 18, kiekvienam įrašui taikomas 1500 metų žemo dažnio filtras. Po šio vidurkio laikoma, kad paklaida ir izotopų matavimo paklaida yra nereikšminga. EDC3 amžiaus skalė buvo pasirinkta todėl, kad EDML įrašo versija, ištaisyta atsižvelgiant į aukštupio pakitimus ir keičiant jūros vandens δ 18 O, naujausioje 2012 m. Antarkties ledo šerdies chronologijos (AICC2012) amžiaus skalėje nėra. Tačiau, kadangi mus domina tik LIG δ 18 O maksimalus ledo branduolio įrašas, chronologijos pasirinkimas nedaro didelės įtakos mūsų rezultatams.

Izotopų įjungti bendrojo cirkuliacijos modelio eksperimentai

Šiame tyrime naudojamas sujungto bendrosios cirkuliacijos izotopų modelis yra JK „Met Office HadCM3“ modelis. „HadCM3“ buvo išbandytas šiandien 24, paskutinis ledyninis maksimalus 40, taip pat šiltasis tarpšlakesnis 40, 41 . „HadCM3“ galima paleisti imituojant kelių tūkstantmečių ilgio modelius. Šis modelis tinkamai atspindi visuotinį izotopų pasiskirstymą vandenyne ir atmosferoje. Tarp klimato modelių palyginimo projekto 3 fazės modelių grupės HadCM3 buvo paskirtas vienas iš aukščiausių įgūdžių balų, pagrįstų vidutiniu vidutiniu jūros lygio slėgiu, jūros paviršiaus temperatūra, aukščiu ir temperatūra 500 hPa bei paviršiaus masės balansu per Antarktidą 42 . Šiais laikais HadCM3 modeliu modeliuotas sezoninio poslinkio poveikis Antarktidai yra panašus į tą, kuris apskaičiuotas naudojant ECMWF ERA40 reanalizės produktą 43 .

Mes naudojame HadCM3, kad imituotume izotopinį atsaką į skirtingus WAIS skilimo scenarijus ir jūros ledo rekolekcijas, kai LIG izotopas yra didžiausias - 128 ka. Mes atliekame tris eksperimentų rinkinius, kurie visi yra priversti skristi orbitos ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų verte 128 kae. Palyginti su ikipramoninio valdymo modeliavimu, priverstiniu iki 1850 metų iki dabartinės (BP) orbitos ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracijos. Pirmajame rinkinyje naudojamas modernus WAIS tūris ir forma, todėl vienintelis skirtumas nuo kontrolinio eksperimento yra 128 ka orbita ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų priverstinis išstūmimas.

Antrasis rinkinys tiria izotopinį atsaką į WAIS skilimą ir apima eksperimentus su: i) liekančia WAIS, kurios aukštis sumažintas iki 200 m ir apdengtas ledu, vadovaujantis Holden ir kt. 19 ; ii) WAIS buvo pašalintas ir pakeistas nauju 200 m gylio vandenyno regionu; ir (iii) kaip (ii), bet su izotopu išeikvotu tirpiklio vandeniu iš WAIS, įpiltu į paviršiaus pietinį vandenyną. Per 100 metų trunkantis modeliavimas pridedamas nustatytas 0, 4 Sv gėlo vandens srautas (tęsiamas atlikus WAIS pašalintą modeliavimą), prilygstantį WAIS žlugimui ir pasauliniam 3, 5 m indėliui jūros lygyje. Tai gali būti laikoma agresyviu scenarijumi ir parodo idealizuotą katastrofišką WAIS žlugimą, kurio prireiktų labai ankstyvam WAIS praradimui per LIG. Lydymosi vanduo yra paskirstomas per pietinį vandenyną pagal dabartines ledkalnių trajektorijas 44, 45 . Tirpinto vandens izotopo kompozicija yra –30 ‰, maždaug lygi pradinio ledo sluoksnio 16 sudėčiai. Išskyrus iii punktą, visi eksperimentai buvo vykdomi mažiausiai 700 metų. Tai užtikrina, kad vandenyno viršutinė dalis ir atmosfera yra pusiau pusiausvyros su atitinkamomis ribinėmis sąlygomis. Naujų vandenynų regionams, atsirandantiems pašalinus WAIS, leidžiama vystytis susieto modeliavimo metu. Mūsų žiniomis, tai yra pirmieji izotopų įjungti atmosferos ir vandenyno globaliojo klimato modelio modeliai, kuriuose WAIS buvo pašalinta ir užteršta vandenynu. EAIS topografijoje pakeitimų nebuvo padaryta. Tai užtikrins, kad mes izoliuosime klimato reakciją į WAIS pokyčius.

Norint ištirti, ar pietinio vandenyno jūros ledo traukimasis gali suteikti alternatyvų LIG izotopo maksimalių paaiškinimų skaičių, atliekamas trečiasis eksperimentų rinkinys, naudojant tiek modernią WAIS konfigūraciją, tiek pašalinus WAIS, tiek priverstinai sumažinus Antarkties jūros ledo kiekį. Kiekvienas eksperimentas tęsiamas iš sukonstruoto 128 ka šiuolaikinio WAIS, o WAIS pašalino modeliavimą ir tęsiasi dar 50 metų. Mes naudojame „švarų“ metodą, kad jūros ledas trauktųsi, nurodydamas šilumos srautą į Antarkties jūros ledo dugną visomis ilgumos ir visose platumose į pietus nuo 49 ° pietų platumos, ir tai neturi jokio kito poveikio modelio fizikai. Jūros ledo jėgos yra pastovios per visą ciklą, todėl modelis vis tiek gali apskaičiuoti sezoninį jūros ledo augimo ir puvimo ciklą. Todėl imituojama jūros ledo raida tik sumažėja dėl sujungtų modelių pusiausvyros atsako, tačiau vis tiek atitinka vidinio modelio fiziką, o jūros paviršiaus temperatūra ir jūros ledas mūsų modeliavimuose visada yra pastovūs. Taigi jūros ledas vystosi kartu su modeliu, o vandenynas ir atmosfera reaguoja į jūros ledo pokyčius. Atliekame daugybę eksperimentų, kiekvienas su skirtingais nustatytais šilumos srautais nuo 0 (be jėgos) iki 120 W m –2 (visą eksperimentų sąrašą žr. 1 papildomoje lentelėje). Jūros ledo traukimosi eksperimentai su pašalinta WAIS neapima WAIS tirpiklio, įpilto į paviršiaus pietinį vandenyną, nes šis scenarijus buvo laikomas nerealu; Nors yra tikėtina, kad jūros ledo traukimasis gali sutapti su WAIS traukimu ir su tuo susijusiu tirpstančio vandens nutekėjimu, susijęs paviršiaus gaivinimas ir aušinimas paskatins Pietų pusrutulio jūros ledo išsiplėtimą. Tai patvirtina 2d pav. Ir 1 papildoma lentelė, kurioje teigiama, kad lydymosi vandens įtraukimas iš WAIS griūties padidina jūros ledo plotą 15%. Todėl labiau tikėtina, kad tirpsmo vandens įtekėjimas neatsitiko su jūros ledo atsitraukimu.

Visi modeliuoti izotopų išėjimai pirmiausia sujungiami į vienodo ploto 50 km tinklelį ir išlyginami su aplinkiniais 100 km, kad būtų pašalinta tinklelio priklausomybė 43 prieš vertinant pagal ledo pagrindinius duomenis. Mes apskaičiuojame modeliuojamus sd duomenis iš kasmet išskiriamo δ 18 O modelio išvesties ir tų, kurie stebimi „neapdoroto“ ledo šerdies įrašuose (prieš sinchronizavimą, dedami į bendrą laiko skalę ir filtruojami; žr. Ankstesnį skyrių). Modeliuojami ir stebimi SD kiekvienai iš keturių ledo šerdies vietų („Vostok“, DF, EDC ir EDML) yra atitinkamai 2, 18 ‰, 2, 70 ‰, 1, 85 ‰ ir 1, 87 ‰ ir 3, 31 ‰, 2, 12 ‰, 2, 97 ‰ ir 5, 76 ‰. Mes taip pat atkreipiame dėmesį į pagrįstą susitarimą su rezultatais, gautais dėl didelės skiriamosios gebos EDC ledo pagrindinio įrašo, apibūdinančio LIG 20 metų skyriuje; tai rodo 3000 metų vidutinį sd - 4, 5 ‰ 46 .

Statistika

Nurodymas apie jūros ledo traukimąsi atliekamas naudojant Bajeso daugiamatę tiesinę regresiją 47 . Pirmiausia prie modeliavimo išėjimų pridedamas tiesinis modelis. x ( j ) žymi įeinantį šilumos srautą ( j ) modeliui,

Image

imituotų metinių vidutinių izotopų verčių vektorius keturiose matavimo vietose ( i ) ( j ) modeliavimo pusiausvyros metais ir

Image
atitinkamas jūros ledo traukimasis. Čia mes vartojame terminą „pusiausvyros metai“, kad apibūdintume modelio metus po to, kai paviršiaus vandenynas ir atmosfera pasiekė pusiausvyros pusiausvyrą esant įėjimo šilumos srautui, o jūros ledo reakcija į naują pastovią būseną. Modeliavimų skaičius yra N , kurių kiekvienas turi K pusiausvyros metus.

Jūros ledo reakcija pasiekia pusiausvyrą su įeinančiu šilumos srautu per 20 metų po kiekvieno modeliavimo, todėl mes naudojame K = 30, tai yra, mes naudojame paskutinius 30 metų iš kiekvieno 50 metų jūros ledo verčiant eksperimentą šiems skaičiavimams. Įtraukiame eksperimentus su 30, 35, 40, 45, 50, 60 ir 80 W m-2 šilumos srautais, kad N = 7. Izotopo ir jūros ledo atsitraukimo vertės modeliuojamos taip, kaip paprastai pasiskirstomos, priklausomai nuo linijinės šilumos srauto,

Image

kur

Image
yra visų priklausomų kintamųjų vektorius,

Image

ir nežinomi modelio parametrai yra nuolydis ( a ), kirtis ( b ) ir kovariacijos matrica (∑). Atkreipkite dėmesį, kad a ir b yra penkių elementų stulpelių vektoriai, kurių pirmieji keturi elementai atitinka izotopo matavimus keturiose vietose, o penktasis atitinka jūros ledo traukimąsi. ∑ yra 5 × 5 teigiama apibrėžta matrica. Tai galima parašyti lygiaverčiai matricos forma naudojant

Image
Image

toks kad

Image

Visi modeliavimo kintamųjų rinkiniai bus rašomi taip:

Image
Image

Modelis daro keletą tvirtų prielaidų apie priklausomų kintamųjų laikiną elgesį. Ilgą laiką klimato kintamieji aiškiai nėra gerai modeliuojami pastovaus ir baltojo triukšmo, tačiau rodo tendencijas ir sezoniškumą. Tačiau per trumpą laiką šis paprastas pusiausvyros modelis gali būti pakankamai tikslus. Baltumą mes patikrinome išbandydami visas laiko eilutes (tas, kurios gaunamos iš modeliavimo ir izotopų įrašų pusiausvyros dalių) atliekant Ljungo-Box 48 testą, naudojant šešis atsilikimus pagal K / 5 rekomendaciją (nuoroda 49), derinant P reikšmes. naudojant Fišerio metodą 50 . Izotopų matavimuose reikšmingos autokoreliacijos nėra, tačiau jūros ledo traukimosi modeliavimo duomenyse yra reikšmingų trumpųjų atsilikimų reikšmių. Norėdami tai pašalinti, mes naudojame preliminarų balinimo žingsnį. Neapdorotus duomenis mes modeliuojame kaip 1 eilės savaiminio progreso procesą, kurio vidurkis nežinomas,

Image

kur μ ( j ) yra pastovusis vidurkis, ir

Image
yra iid Gauso pasipiktinimas. Tokias laiko eilutes galime paversti nepriklausomomis ir identiškai paskirstytomis (ID), naudodamiesi tokia transformacija,

Image
Image

Norėdami tai padaryti, pirmiausia turime įvertinti γ ( j ), kurį galima pasiekti naudojant paprastą didžiausios tikimybės procedūrą (kartu su μ ( j ) ). Šis metodas leidžia mums pašalinti laikinąją koreliaciją, pakeičiant ją padidinta kiekvieno duomenų taško dispersija, atsižvelgiant į ankstesnę. Išsamią informaciją galite rasti palaikomajame „iPython“ nešiojamajame kompiuteryje.

Galime parašyti modeliavimo kintamųjų tikimybės tankį, atsižvelgiant į parametrus,

Image
Image

Norėdami nustatyti modelio parametrų reikšmes, pirmiausia jiems priskiriame konjugatą, kuris, kaip žinoma, yra matricos normalios ir atvirkštinės Wishart paskirstymas 51,

Image
Image
Image

kur c × d yra θ matmenys, tai yra, c = 2, d = 5 ir M 0, V 0, v 0 ir Ψ 0 yra tikslūs parametrai, kuriuos reikia nurodyti. Kadangi neturime konkrečios išankstinės informacijos apie parametrų vertes, mes pasirenkame tai padaryti neinformatyviu. „Jeffreys“ iš anksto gauname nustatę Ψ 0 → 0 5 × 5 (žymintys nulio 5 × 5 matricą),

Image
ir v 0 → 0 52 . (Prieš šifruodami kai kuriuos pagrindinius išskaičiavimus, tokius kaip faktas, kad tikimės, kad Z bus teigiamas, galėtume panaudoti silpnai informatyvų. Tačiau kadangi šiam išvados etapui turime informatyvios tikimybės funkciją, tokio prioriteto poveikis yra praktiškai nereikšmingas).

Galime suderinti ankstesnį ir tikimybę gauti užpakalinį pasiskirstymą naudodamiesi Bayes'o teorema,

Image
Image

Atminkite, kad vardiklį galime ignoruoti, nes jis nepriklauso nuo θ ar ∑. Nežinomą mastelio koeficientą galima išspręsti užtikrinant, kad gautas tikimybės pasiskirstymas turi būti integruotas į 1. Kadangi prieš tai pasirinkome naudoti konjugatą, užpakalinė dalis taip pat yra matricos normaliosios ir atvirkštinės Wishart paskirstymas 51

Image

Atnaujinti hiperparametrai yra,

Image
Image
Image
Image

Atminkite, kad ankstesni hiperparametrai nerodomi šiose išraiškose dėl to, kad anksčiau pasirinkome „Jeffreys“.

Modeliavimu paremtas modelis apibūdina metinių izotopų ir jūros ledo traukimosi verčių pasiskirstymą. Tačiau pagrindiniai ledo duomenys nepateikia kasmet išsprendžiamų matavimų. Be to, įvairių ledo šerdžių skiriamoji geba laikine prasme nėra vienoda, ir greičiausiai įrašuose išliks šiek tiek nukrypimų net po to, kai įrašai bus sinchronizuoti. Kaip minėta aukščiau, mes sušvelniname šį poveikį apskaičiuodami ledo šerdies izotopo matavimų vidurkį per pasirinktą L metų intervalą, kur L = 1 500. Pasirinkta L vertė parodo kuo didesnį intervalą, nepažeisdama prielaidos, kad sistema yra pusiausvyros pusiausvyroje.

Vidutinę priklausomų kintamųjų vertę per pasirinktą intervalą žymime kaip

Image
, toks, kad

Image

kur ζ i dabar žymi tikrąsias kintamųjų reikšmes tam tikrais metais. Kadangi laikoma, kad metinės vertės yra nepriklausomos ir vienodai paskirstomos atsižvelgiant į linijinio modelio parametrus, tada mes turime,

Image

Manome, kad atlikus šį vidutinį žingsnį, matavimo paklaida yra nereikšminga, palyginti su kitais netikrumo šaltiniais.

Modelių palyginimui reikalingas tik prognozuojamas izotopų matavimų pasiskirstymas. Tai galima gauti paprasčiausiu atsiribojimu. Mes skaidome

Image
ir parametrų matricos į izotopų ir jūros ledo atsitraukimo komponentus,

Image
Image
Image

Naudojant standartines Gauso tankio tapatybes, numatomas pasiskirstymas izotopų matavimams yra paprasčiausiai 47,

Image
Image

Naudojant šią pagrindinę formulę, modeliai, mokomi naudoti su WAIS ir be WAIS modeliavimo duomenimis, išmatuotoms izotopų reikšmėms priskiria labai mažą tikimybę. Problema ta, kad nė vienas modelis neprognozuoja izotopų matavimų numatytu tikslumu, nes abu yra netobuli tikrosios sistemos vaizdai. Tačiau vis tiek galime įvertinti, kas yra geriau, įtraukdami šią klaidą į analizę. Šiuo tikslu stebimas izotopų vektorius

Image
yra modeliuojamas kaip numatoma vertė pridėjus tam tikrą klaidos terminą, kad,

Image

kur I 4 × 4 yra 4 × 4 tapatumo matrica. Vadinasi,

Image
Image

Hipotezės bandymas

Standartinis dviejų statistinių modelių palyginimo mechanizmas yra apskaičiuoti ribinę tikimybę (dar vadinamą modelio įrodymu) kiekvienam 47 . Tai tikimybė, kurią modelis paskiria stebėtiems duomenims, įvertinant visų galimų modelio parametrų verčių vidurkį,

Image

Image

Tai negali būti įvertinta analitiškai, todėl mes jį apytiksliai suderiname. Linijinio modelio parametrų integralai tvarkomi naudojant Monte Karlo atranką. Likusieji šilumos srauto integralai ir paklaidų skalės kintamieji gali būti tvarkomi naudojant empirinį Bayeso įrodymų apytikslį. Kadangi šių kintamųjų užpakalinis pasiskirstymas yra smailus, ankstesnį tikimybės tankį galima pakeisti taškine mase, kai didžiausia tikimybė yra 47,

Image

kur

Image

Tai taip pat panaikina būtinybę nurodyti išankstinį paskirstymą x ir σ e . Taikydami abi aproksimacijas gauname

Image
Image

kur

Image
yra imamos tiesinio modelio parametrų vertės, paimtos iš pritvirtinto užpakalinio pasiskirstymo. Skaičiavimuose mes panaudojome 1 000 Monte Karlo pavyzdžių.

Vidutinės maksimalios šilumos srauto tikimybės vertės yra atitinkamai 72 ir 51 W m −2 modeliams su WAIS ir be WAIS. Palyginus du scenarijus, tikimybės santykis yra 200, jei yra WAIS (cituojama viena reikšminga figūra), tai yra, stebimi duomenys yra 200 kartų labiau tikėtini naudojant modelį su esamu WAIS nei pašalinus WAIS. Be to, modelio su WAIS vidutinė klaidų skalė yra 0, 6 ‰, palyginti su 1, 9 ‰ modelio be WAIS, tai rodo, kad norint gauti labiausiai tikėtiną sistemą, reikia didesnių klaidų terminų kartu su modeliu be WAIS. Šie rezultatai labai patvirtina išvadą, kad „with-WAIS“ modelis yra tikslesnis ledo pagrindinių duomenų vaizdas. Dviejų scenarijų atveju „with-WAIS“ modelio tikimybė yra 99, 5%.

Skaičiuojamas jūros ledo traukimasis

Atsižvelgiant į izotopų matavimus, žinios apie atitinkamą vidutinį jūros ledo traukimąsi perduodamos užpakaliniu pasiskirstymu,

Image

Image
Image

This is the probability distribution over the possible values for sea ice retreat conditional on the particular observed isotope measurements, but averaging over the possible values for the model parameters. As before, the integrals cannot be evaluated analytically, and numerical methods must be used.

Starting with the joint probability distribution over isotope and sea ice retreat, and applying the Monte Carlo and empirical Bayes approximations as before, we obtain,

Image
Image

Finally, conditioning on the isotope measurements using standard Gaussian density identities 47, the posterior distribution is approximated by,

Image

kur,

Image
Image

Our final approximation of the distribution is a Gaussian mixture, from which a mean value and credible intervals may be obtained. This provides us with the distribution of the average sea ice retreat over the L years in our window. There is an additional uncertainty of

Image
associated with each individual year due to the random annual variation.

For the with-WAIS scenario, we estimate the sea ice retreat during the LIG isotope maximum to be 65% (posterior mean). For the sea ice retreat in an arbitrary year, the 95% credible interval is [58, 72%]. For the average value of sea ice retreat over the 1, 500 year period considered, the 95% credible interval is [61, 70%]. For the without-WAIS model, the same calculation similarly suggests an estimated best fit sea ice retreat to fit the observations during the LIG isotope maximum of 66% (posterior mean). However, the uncertainty band is more than three times larger than for the with-WAIS scenario. For the sea ice retreat in an arbitrary year, the 95% credible interval is [32, 87%]. For the average value of sea ice retreat over the 1, 500 year period considered, the 95% credible interval is [32, 86%]. In the main text of the manuscript, we quote the posterior mean and the credibility interval for an arbitrary year during the 1, 500 year period spanning the LIG isotope maximum for each scenario.

For the with-WAIS model, the maximum likelihood heat flux of 72 Wm −2 produces an annual averaged Southern Hemisphere sea ice area of ∼ 6 million km 2 averaged over the whole 50 year simulation. This is equal to a globally averaged value of 0.82 W m −2, or ∼ 12% of the total radiative forcing in the representative concentration pathway 8.5 (RCP8.5) scenario between 2000 and 2100 (6.7 Wm −2 ). For context, Deser et al. 53 calculate a value of 0.54 Wm −2, or 8% of the total radiative forcing in the RCP8.5 scenario, is required to change Arctic sea ice conditions from those simulated for the period 1980–1999 to those simulated for 2080–2099 under the RCP8.5 scenario using the CCSM4 model.

Code availability

Access to the Met Office Unified Model source code is available under licence from the Met Office at //www.metoffice.gov.uk/research/collaboration/um-collaboration. The code used to perform the statistical analysis is supplied as a supporting iPython notebook.

Duomenų prieinamumas

The climate model data is available on request from; //www.bridge.bris.ac.uk/resources/simulations.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Supplementary Figures 1-6, Supplementary Tables 1-2, Supplementary Discussion and Supplementary References.

ZIP failai

  1. 1.

    Papildomi duomenys 1

    Analysis iPython notebook

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.