Modelling of extreme climatic conditions associated with the formation of the supercontinent Pangaea Ultima
Modelling of extreme climatic conditions associated with the formation of the supercontinent Pangaea Ultima
Abstract
The results of modelling the evolution of continental plates determine that in 250 million years a single continent in the equatorial zone, called Pangaea Ultima, will form. The three-dimensional ocean equation system, as part of the climate model, is viewed in the geostrophic approximation with the addition of a frictional term to the horizontal momentum equations. Climate modelling under the assumption of this continent formation coupled with future increases in solar constant and CO2 concentration shows that large regions of the supercontinent will exceed critical thresholds of the complex temperature and humidity index during summer seasons for periods longer than 30 days. At a CO2 concentration of 800 ppm, much of the tropics becomes uninhabitable for mammalian life, and at 1200 ppm this extends to mid and high latitudes.
1. Введение
Моделирование климата прошлого и будущего помогает понять долгосрочные изменения климата, их причины и последствия для биосферы. Результаты моделирования эволюции континентальных плит определяют , что через 250 миллионов лет сформируется единый континент в экваториальной зоне, называемый Пангея Ультима. Моделирование климата при условии формирования единого суперконтинента в сочетании с будущим увеличением солнечной постоянной и концентрации СО2 показывает, что в крупных регионах суперконтинента будут превышаться критические пороговые значения комплексного индекса температуры и влажности в летние сезоны на периоды более 30 дней.
2. Методы и принципы исследования
При анализе долгосрочных изменений климата требуется рассматривать всю атмосферу, океан (с морским льдом) и деятельный слой суши (почва и растительность) как взаимодействующие части климатической системы .
В данной модели , трехмерная система уравнений океана рассматривается в геострофическом приближении с добавлением фрикционного члена в горизонтальные уравнения импульса. Температура и соленость описываются адвекционно-диффузионными уравнениями, что позволяет учитывать термохалинную циркуляцию океана. Также включается процедура конвективного приспособления, необходимая для корректного моделирования вертикального перемешивания. На всех границах океана предполагается отсутствие нормального потока, что применимо как на границах материков, так и на поверхности и дне океана. На границах материков нормальные составляющие потоков тепла и солей принимаются равными нулю. На поверхности океана учитывается воздействие напряжения трения ветра. Потоки тепла и солености у дна океана полагаются равными нулю, а на поверхности океана определяются взаимодействием с атмосферой. На каждом временном шаге поле скоростей определяется диагностически из поля плотностей. Это позволяет учесть изменения плотности воды и скорректировать соответствующим образом поле скоростей океанических течений. Вертикальная структура модели представлена уровнями, равномерно распределенными в логарифмических координатах. Такой подход позволяет сделать верхние слои модели более тонкими по сравнению с нижними, что важно для детального учета процессов, происходящих на поверхности океана. Горизонтальная сетка равномерная в координатах долготы и синуса широты, что задает ячейки одинаковой площади в пространстве .
Для описания процессов, происходящих в атмосфере, применяется однослойная энерго- и влаго-балансовая модель. Прогностическими переменными в этой модели являются температура воздуха и удельная влажность вблизи подстилающей поверхности. Дифференциальные уравнения, используемые для моделирования динамики морского льда, решаются для определения значений сплоченности и средней толщины льда. Все блоки модели связаны между собой обменом импульсом, теплом и водой. Потоки тепла между «смежными» блоками могут быть модифицированы фазовыми переходами на границах (испарением, таянием и т.д.). Материковые стоки воды добавляются в океанические ячейки на каждом шаге по времени. Полный обмен потоками тепла и воды над океаном зависит от сплоченности морского льда. Для расчета одного шага по времени для океана, морского льда и поверхностных потоков требуется несколько шагов по времени для атмосферы. Для атмосферы шаг обычно равен одним суткам, а для океана – несколько суток.
Моделирование тектонических движений континентов определяет, что приблизительно через 250 миллионов лет все континенты сольются и сформируют суперконтинент Земли – Пангея Ультима (голубая и зеленая область на рис. 1). Естественным следствием образования Пангеи Ультима станут экстремальные значения СО2 из-за изменений в вулканическом рифтогенезе и газовыделении.
Рисунок 1 - Континент Пангея Ультима (голубая и зеленая области) на карте мира, изолинии температуры воздуха в оС у подстилающей поверхности и области, пригодные для жизни млекопитающих (выделены зеленым цветом) для января (а) и июля (б)
Примечание: результаты для концентрации СО2 1200 ppm
3. Основные результаты
На первом этапе исследования было учтено увеличение солнечной постоянной на 2.5% при современной концентрации СО2. При этом максимальная температура в июле достигала 42.6оС. В последующих расчетах были заданы три варианта концентрации CO₂ , , , : 400 ppm (современный уровень), 800 ppm, 1200 ppm, так как точный прогноз концентрации не известен. Солнечная постоянная была зафиксирована на уровне 1402 Вт/м². В модели используется равномерная по долготе и синусу широты конечно-разностная сетка 72×72 ячейки. Разрешение модели по долготе составляет 5°, а по широте оно изменяется от приблизительно 1.5° у экватора до приблизительно 10° у полюсов. Глубина океана представляется в виде восьмиуровневой логарифмической шкалы до 5000 м.
Из расчетов следует, что только при концентрации СО2 400 ppm морской лед сохраняется в долгосрочной перспективе, хотя его площадь значительно уменьшается (примерно в 6 раз). В сценариях с более высокими концентрациями углекислого газа (800 ppm, 1200 ppm) морской лед полностью исчезает.
При концентрации СО2 равной 1200 ppm температурный режим показывает предельно экстремальные значения (рис. 1). Области с температурами выше 35°C покрывают практически все широты от 50о северной широты до 30о южной широты. Температура воздуха местами достигает 45°C-50°C. Это указывает на критическое повышение температур, что может существенно повлиять на экосистемы и климатические условия на планете. В соответствии с рекомендациями метеорологических служб по применению комплексного индекса температуры и влажности , , рассчитанного по результатам модельных расчётов, пригодными для жизни млекопитающих, с увеличением концентрации CO2 в атмосфере до 1200 ppm, остаются только узкие полосы суши на севере и юге суперконтинента (зеленые области на рис.1).
4. Заключение
При изменении расположения континентов в сочетании с будущим увеличением солнечной постоянной в крупных регионах суперконтинента будут превышаться критические пороговые значения температуры на периоды более 30 дней. При концентрации CO2 400 ppm большая часть тропиков становится непригодной для жизни, а при 1200 ppm эта область распространяется на средние и высокие широты. Хотя высокие широты (более 50°) при 1200 ppm CO2 могут спасти от слишком высоких температур, показатели зимнего климата еще больше снижают зону обитаемости. Вторичным воздействием низкой влагообеспеченности может быть снижение продуктивности и доступности пищи для млекопитающих на покрытых растительностью землях.