Жаңа замандағы температура өзгерістері: Орта ғасырдың жылы кезеңі мен Кішкентай мұз дәуірі

Кіріспе

Орта ғасырлық жылы кезең мен Кіші мұз дәуірі туралы ақпараттар түрлі IPCC есептерінде келтірілген. Соңғы 2000 жылғы температура деректері климат прокси-тіркемелерінен алынған мәліметтермен және соңғы 170 жылды ғана қамтитын қазіргі заманғы аспаптық температура деректерімен салыстырылып қалпына келтіріледі. 1-ші және 2-ші мыңжылдықтардың бір бөлігін немесе толығымен қамтитын кең ауқымды реконструкциялар соңғы температуралардың ерекше екенін көрсетті. Климаттың өзгеруі жөніндегі үкіметаралық топтың 2007 жылғы төртінші бағалау есебінде «20 ғасырдың екінші жартысында Солтүстік жарты шардағы орташа температура соңғы 500 жылдағы кез келген 50 жылдық кезеңнен жоғары болған және кем дегенде соңғы 1300 жылдағы ең жоғары температура болуы мүмкін» деген қорытынды жасалған. Осы реконструкциялардың графиктерінде көрсетілген қисық, өткен ғасырда температураның күрт өсуіне байланысты «хоккей таяқшасы» графигі деп кеңінен танымал. 2010 жылға дейін бұл үлгі әртүрлі статистикалық әдістер мен прокси-тіркемелердің комбинацияларын қолдана отырып, екі дүрзіннен астам реконструкциялармен қолдау көрсетілді. Ал 20 ғасырға дейінгі кезеңдегі «саптың» қаншалықты жазық көрінетіні әртүрлі болды. Прокси-тіркемелердің жетіспеуі ертерек кезеңдер үшін айтарлықтай белгісіздік тудырады. Дендроклиматологияда қолданылатын ағаш сақиналарының ені мен тығыздығы сияқты жеке прокси-тіркемелер, жапсарлас кезеңдегі аспаптық деректермен салыстырылып калибрленеді. Мұндай тіркемелердің желілері аймақтар үшін өткен температураны қалпына келтіру үшін қолданылады. Ағаш сақиналарының проксилері Солтүстік жарты шардағы тропикалық емес температураны қалпына келтіру үшін пайдаланылды (тропиктерде ағаштар сақина жасамайды), бірақ олар құрлық аймақтарымен шектелген және Оңтүстік жарты шарда сирек кездеседі, себебі ол көбінесе мұхиттан тұрады. Көл шөгінділері, мұз түйіршіктері және маржандар сияқты проксилерді қамтитын көп проксилік реконструкциялар кеңірек қамтуды қамтамасыз етеді, олар әртүрлі аймақтарда табылған және статистикалық әдістерді қолдана отырып, осы сирек проксилерді ағаш сақиналарының көптеген деректерімен байланыстырады. «Композиттік плюс масштабтау» (CPS) әдісі жарты шарлық немесе жаһандық орташа температураның кең ауқымды мультипрокси реконструкцияларында кеңінен қолданылады. Бұл, климаттық үлгілердің кеңістіктік кеңістікте қалай дамығанын көрсететін Климаттық өрісті реконструкциялау (CFR) әдістерімен толықтырылады, бұл реконструкцияны табиғи өзгермелілік пен ұзақ мерзімді тербелістерді зерттеу үшін, сондай-ақ климаттық модельдердің нәтижелерімен салыстыру үшін пайдалы етеді. 20 ғасырға дейінгі 1900 жыл ішінде ең жылы кезең 950-1100 жылдар аралығында болған, әр аймақта әртүрлі уақытта ең жоғары температура тіркелген. Бұл орта ғасырлық жылы кезең деп аталады, ал кейбір деректер 17 ғасырдың басында болған Кіші мұз дәуірі деп аталатын кезеңде кең таралған салқын жағдайларды көрсетеді. «Хоккей таяқшасы» дауында климаттың өзгеруін жоққа шығаратын адамдар орта ғасырлық жылы кезең қазіргіден жылырақ болғанын мәлімдеді және климатты қалпына келтіру деректері мен әдістерін сынады.

Temperature trends in the Common Era
information on the description of the Medieval Warm Period and Little Ice Age in various IPCC reports

The temperature record of the last 2,000 years is reconstructed using data from climate proxy records in conjunction with the modern instrumental temperature record which only covers the last 170 years at a global scale. Large scale reconstructions covering part or all of the 1st millennium and 2nd millennium have shown that recent temperatures are exceptional: the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report of 2007 concluded that "Average Northern Hemisphere temperatures during the second half of the 20th century were very likely higher than during any other 50 year period in the last 500 years and likely the highest in at least the past 1,300 years." The curve shown in graphs of these reconstructions is widely known as the hockey stick graph because of the sharp increase in temperatures during the last century. as of 2010 this broad pattern was supported by more than two dozen reconstructions, using various statistical methods and combinations of proxy records, with variations in how flat the pre 20th century "shaft" appears. Sparseness of proxy records results in considerable uncertainty for earlier periods. Individual proxy records, such as tree ring widths and densities used in dendroclimatology, are calibrated against the instrumental record for the period of overlap. Networks of such records are used to reconstruct past temperatures for regions: tree ring proxies have been used to reconstruct Northern Hemisphere extratropical temperatures (within the tropics trees do not form rings) but are confined to land areas and are scarce in the Southern Hemisphere which is largely ocean. Wider coverage is provided by multiproxy reconstructions, incorporating proxies such as lake sediments, ice cores and corals which are found in different regions, and using statistical methods to relate these sparser proxies to the greater numbers of tree ring records. The "Composite Plus Scaling" (CPS) method is widely used for large scale multiproxy reconstructions of hemispheric or global average temperatures; this is complemented by Climate Field Reconstruction (CFR) methods which show how climate patterns have developed over large spatial areas, making the reconstruction useful for investigating natural variability and long term oscillations as well as for comparisons with patterns produced by climate models. During the 1,900 years before the 20th century, it is likely that the next warmest period was from 950 to 1100, with peaks at different times in different regions. This has been called the Medieval Warm Period, and some evidence suggests widespread cooler conditions during a period around the 17th century known as the Little Ice Age. In the "hockey stick controversy", climate change deniers have asserted that the Medieval Warm Period was warmer than at present, and have disputed the data and methods of climate reconstructions.

Соңғы 2000 жылдағы температураның өзгеруі

IPCC-тің алтыншы бағалау баяндамасына сәйкес, соңғы 170 жылда адамдардың әрекеті салдарынан жаһандық температура соңғы 2000 жылдағы ең жоғары деңгейге жетті. Қазіргі көп ғасырлық кезең соңғы 100 000 жылдағы ең жылы кезең болып табылады. 2011–2020 жылдардағы температура 1859–1890 жылдардағыдан 1,09 °C жоғары болды. Құрлықта температура 1,59 °C-қа, ал мұхит үстінде 0,88 °C-қа көтерілді. 2023 жылдың қыркүйегінде температура өнеркәсіптік дәуірге дейінгі деңгейден 1,75 °C жоғары болды, ал 2023 жылдың толық бір жылы 1,4 °C жоғары болады деп күтілуде.

Жалпы әдістер мен дәлдік

Көрсетілген ең жақсы кезең – 1850 жылдан қазіргі күнге дейінгі аралық, және уақыт өте келе жағдай жақсарып келеді. Осы кезеңдегі жаңа аспаптық деректер, көбінесе тікелей термометр көрсеткіштеріне негізделген, шамамен бүкіл әлемді қамтиды. Ол жаһандық температураның жалпы түрде жоғарылауын көрсетеді. Бұл уақыттан бұрын түрлі аралық мәліметтерді пайдалану қажет. Бұл аралық мәліметтер тікелей термометр өлшемдерінен гөрі аз дәл, уақыт бойынша шешілуі төмен және кеңістік жағынан жабылуы нашар. Олардың жалғыз артықшылығы – олар ұзақ мерзімді деректерді қайта құруға мүмкіндік береді. Тікелей температура деректері аралық мәліметтерге қарағанда дәл болғандықтан (іс жүзінде, оларды калибрлеу үшін қажет), мүмкіндігі болғанда олар қолданылады: яғни 1850 жылдан бастап.

Прокси деректерді пайдаланатын сандық әдістер

1850 жылға дейінгі аспаптық жазбалар аз болғандықтан, бұрынғы температура прокси-әдістер негізінде қайта құрылуы тиіс. Мұндай әдістердің бірі, дендроклиматология қағидаларына негізделген, температураны анықтау үшін ағаш сақиналарының ені мен басқа да ерекшеліктерін пайдаланады. Қардың, мәржәннің және сталактиттердің изотоптық құрамы да температураны анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Басқа қолданылған әдістерге егін жинау уақытының жазбаларын зерттеу, түрлі аймақтардағы ағаш шебін және температура туралы қорытындылар жасау үшін басқа да тарихи жазбаларды қарастыру кіреді. Бұл прокси-реконструкциялар температураның тікелей емес бағалаулары болып табылады, сондықтан олар аспаптық деректерге қарағанда көбірек белгісіздікке ие. Көптеген прокси-жазбалар температура мен прокси арасындағы қатынасты бағалау үшін олардың үстіп жатқан кезеңдеріндегі жергілікті температуралық жазбалармен калибрленуі керек. Проксидің ұзақ тарихы одан бұрынғы кезеңдердегі температураны қайта құру үшін қолданылады. Жаһандық немесе жарты шарлық жазба қажет болса, прокси-жазбалар бір жолмен орташалануы керек. "Композиттік плюс масштабтау" (CPS) әдісі жарты шарлық немесе жаһандық орташа температураның кең ауқымды мультипрокси реконструкцияларында кеңінен қолданылады. Бұл "Климаттық өріс реконструкциясы" (CFR) әдістерімен толықтырылады, олар климаттық үлгілердің кеңістіктік кеңістікте қалай дамығанын көрсетеді. Орташалау процесінде ерекше сақтық қажет; мысалы, егер белгілі бір аймақта көптеген ағаш сақиналарының жазбалары болса, барлық деректердің қарапайым орташасы сол аймақты тым көп салмақтайды, ал статистикалық әдістер мұндай артық салмақты болдырмау үшін қолданылады. CFR реконструкцияларында негізгі компоненттер талдауы оларды жаһандық түрде біріктірмес бұрын осы аймақтық жазбалардың кейбірін біріктіру үшін қолданылды. Маңызды айырмашылық – әлемге тараған бірнеше прокси-жазбаларды пайдалану арқылы жаһандық температураны қайта құруға тырысатын, сондай-ақ көбірек аймақтық реконструкциялар жасалатын "көп прокси" реконструкциялары. Әдетте, әртүрлі прокси-жазбалар салмақталған орташа есеппен арифметикалық түрде біріктіріледі. Соңғы кезде Осборн мен Бриффа кез келген уақыт аралығында оң, теріс немесе бейтарап жазбалардың үлесін санап, қарапайым әдіс қолданды. Бұл нәтиже әдеттегі көп прокси зерттеулерімен келіседі. 2007 жылғы IPCC-нің төртінші бағалау есебі 14 реконструкцияны келтірді, олардың 10-ы 1000 жыл немесе одан да ұзақ мерзімді қамтыды, оның қорытындысын растау үшін: "20 ғасырдың екінші жартысында Солтүстік жарты шардағы орташа температура соңғы 500 жылдағы кез келген 50 жылдық кезеңнен жоғары болды және кем дегенде соңғы 1300 жылдағы ең жоғары температура болуы мүмкін".

As there are few instrumental records before 1850, temperatures before then must be reconstructed based on proxy methods. One such method, based on principles of dendroclimatology, uses the width and other characteristics of tree rings to infer temperature. The isotopic composition of snow, corals, and stalactites can also be used to infer temperature. Other techniques which have been used include examining records of the time of crop harvests, the treeline in various locations, and other historical records to make inferences about the temperature. These proxy reconstructions are indirect inferences of temperature and thus tend to have greater uncertainty than instrumental data. Most proxy records have to be calibrated against local temperature records during their period of overlap, to estimate the relationship between temperature and the proxy. The longer history of the proxy is then used to reconstruct temperature from earlier periods. Proxy records must be averaged in some fashion if a global or hemispheric record is desired. The "Composite Plus Scaling" (CPS) method is widely used for large scale multiproxy reconstructions of hemispheric or global average temperatures. This is complemented by Climate Field Reconstruction (CFR) methods which show how climate patterns have developed over large spatial areas. Considerable care must be taken in the averaging process; for example, if a certain region has a large number of tree ring records, a simple average of all the data would strongly over weight that region, and statistical techniques are used to avoid such over weighting. In the and CFR reconstructions, principal components analysis was used to combine some of these regional records before they were globally combined. An important distinction is between so called 'multi proxy' reconstructions, which attempt to obtain a global temperature reconstruction by using multiple proxy records distributed over the globe and more regional reconstructions. Usually, the various proxy records are combined arithmetically, in some weighted average. More recently, Osborn and Briffa used a simpler technique, counting the proportion of records that are positive, negative or neutral in any time period. This produces a result in general agreement with
the conventional multi proxy studies. The 2007 IPCC Fourth Assessment Report cited 14 reconstructions, 10 of which covered 1,000 years or longer, to support its conclusion that "Average Northern Hemisphere temperatures during the second half of the 20th century were very likely higher than during any other 50 year period in the last 500 years and likely the highest in at least the past 1,300 years".

Тарихи деректерді пайдалану арқылы сапалық қайта құру

Сондай-ақ, белгілі бір аймақтарда қандай кезде жылы немесе суық болғанын анықтау үшін жүзім жинау мерзімі, портерлерде мұздың еріп, теңіз ашық болатын кезеңдер және аяз немесе ыстық толқындар туралы күнделік жазбалар сияқты тарихи деректерді қолдануға болады. Мұндай жазбаларды дұрыс бағалау қиын, олар көбінесе уақыт өте келе сирек кездеседі, әдетте дамыған аймақтарда ғана қол жетімді болады және қателік деңгейін анықтау мүмкін болмайды. Осы тарихи бақылаулардың нәтижесінде бір кезеңде жылыну мен суынудың араласуы байқалады.

Шектеулер

Саналық және сапалық тәсілдер арасындағы айқын айырмашылықтар толыққанды шешілмеген. Жоғарыда аталған қайта құрулар өз нәтижелерін шығару үшін түрлі шарттарға сүйенеді. Егер осы шарттар орындалмаса, қайта құрулар сенімсіз болады. Сандық қайта құрулар үшін ең маңызды шарттар – прокси-деректер температурамен өзгереді және температураға қатысы жоқ факторлар нәтижелерге кедергі келтірмейді. Тарихи деректерде температура өзгерістері жарты шарлық емес, аймақтық деңгейде болуы мүмкін. Nature журналына жазылған хатта 1998 жылғы мақаланың бастапқы тақырыбына назар салынды: «Өткен мың жылдағы Солтүстік жарты шар температурасы: қорытындылар, белгісіздіктер және шектеулер» және сенімді қорытындыларға жету үшін одан да кеңірек, жоғары ажыратымды деректер қажет екені, ал белгісіздіктер мақаланың басты мәселесі болғаны айтылды.

Тарих

1960 жылдары Хьюберт Лэмб тарихи құжаттар мен Англияның орталық бөлігінің температуралық деректерін сараптап, Солтүстік Атлантика аймағында ортағасырлық жылы кезең болғанын, одан кейін Кішкентай мұз дәуірі келгенін ұсынды. Бұл туралы ХҒТК-нің бірінші бағалау есебінде ортағасырлық жылынудың жаһандық сипатқа ие болмауы мүмкін екендігі туралы ескертулер жасалды. Өткен температуралық жазбаларды сандық түрде бағалау үшін прокси-индикаторларды қолдану 1930 жылдардан бастап эпизодты түрде дамыды және «Композиттік плюс масштабтау» (CPS) әдісі енгізілді. Олардың 1400 жылға дейінгі реконструкциясы ХҒТК-нің екінші бағалау есебінде жарияланды. Майкл Э. Манн, Реймонд С. Брэдли және Малкольм К. Хьюздің реконструкциясы (MBH98) жылдық жер беті температурасының және 1400 жылға дейінгі жарты шар температурасының орташа үлгілерін көрсетті, бұл ретте белгісіздіктерге ерекше назар аударылды. MBH99 зерттеушілері MBH98 әдістемесін қолданып, өз зерттеулерін 1000 жылға дейін кеңейтті. Климатолог Джерри Махлман бұл үлгіні сипаттау үшін «хоккей таяғы» терминін қолданды, ол 1900 жылға дейін салыстырмалы түрде тегіс графикті мұз хоккей таяғының «сабы» құрайтын, ал кейін «жапырағына» сәйкес келетін күрт өсуді көздейді. MBH99 графигінің нұсқасы 2001 жылғы ХҒТК үшінші бағалау есебінде (TAR) маңызды орын алды, ол сондай-ақ Джонс және басқалардың 1998 жылғы жұмысына және үш басқа реконструкцияға сүйенді, бұл Солтүстік жарты шарда 1990 жылдардың ең жылы онжылдық болғанын және 1998 жылдың соңғы 1000 жыл ішіндегі ең жылы жыл болғанын растады. График жарияланымдарда кеңінен таралды және 20 ғасырдың соңындағы жылынудың ерекше екендігі туралы ғылыми консенсусқа қарсы шыққандар үшін даудың ошағына айналды. 2003 жылы 1997 жылғы Киото протоколы бойынша лоббилік күштер күшейген кезде Буш әкімшілігінің климаттық реконструкцияларды бірінші Қоршаған ортаны қорғау агенттігінен алып тастау әрекеттері және Джим Инхофтың Сенаттағы сөйлеуі, онда адамның әрекеттерінен туындаған жаһандық жылыну – жалғандық деп мәлімдеді, Сун мен Балиунасқа қатысты дауға сүйенді. Кейін 2003 жылы Стивен МакИнтайр және Росс МакКитрик MBH98 мақаласындағы деректерге қатысты таластарды жариялады, бірақ олардың аргументтері жоққа шығарылды. 2004 жылы Ханс фон Сторх MBH98 статистикалық әдістері өзгергіштікті азайтады деп мәлімдеді, бірақ ол бұл жалпы графикке зиян келтірмейді деп айтуда қателік жасады. 2005 жылы МакИнтайр және МакКитрик MBH98 және MBH99-дағы бас компоненттерді талдау әдістемесін сынады, бірақ олардың жасаған қателіктерін басқа зерттеушілер көрсетті. Ұлттық зерттеу кеңесінің 2006 жылғы Солтүстік есебі MBH-ді шағын ескертулермен қолдады. Вегман есебі МакИнтайр мен МакКитриктің зерттеуін қолдады, бірақ кейіннен оның сенімділігі күмәнді болды. MBH зерттеулеріне қарсы аргументтер Климаттық зерттеулер бөлімінің электрондық хаттарына қатысты даудың бір бөлігі ретінде қайта көтерілді, бірақ сегіз тәуелсіз тергеу оларды жоққа шығарды. Ғылымдағы сынақ – бұл нәтижелерді әртүрлі деректер мен әдістерді қолдану арқылы қайталау мүмкіндігі. Екі ондағаннан астам реконструкциялар, әртүрлі статистикалық әдістерді және прокси-жазбалардың комбинацияларын қолдана отырып, 1998 жылғы хоккей таяғының түпнұсқалық графигінде көрсетілген жалпы консенсусты растады, ал 20 ғасырға дейінгі «сабының» қаншалықты тегіс екендігінде айырмашылықтар болды.

In the 1960s, Hubert Lamb generalised from historical documents and temperature records of central England to propose a Medieval Warm Period in the North Atlantic region, followed by Little Ice Age. This was discussed in the IPCC First Assessment Report with cautions that the medieval warming might not have been global. Using proxy indicators for quantitative estimates of past temperature record had developed sporadically from the 1930s onwards, and introduced the "Composite Plus Scaling" (CPS) method. Their reconstruction back to 1400 featured in the IPCC Second Assessment Report. The Michael E. Mann, Raymond S. Bradley and Malcolm K. Hughes reconstruction (, MBH98) showed global patterns of annual surface temperature, and average hemispheric temperatures back to 1400 with emphasising on uncertainties. independently produced a CPS reconstruction extending back for a thousand years, and (MBH99) used the MBH98 methodology to extend their study back to 1000. The term hockey stick was used by the climatologist Jerry Mahlman to describe the pattern this showed, envisaging a graph that is relatively flat to 1900 as forming an ice hockey stick's "shaft", followed by a sharp increase corresponding to the "blade". A version of the MBH99 graph was featured prominently in the 2001 IPCC Third Assessment Report (TAR), which also drew on Jones et al. 1998 and three other reconstructions to support the conclusion that, in the Northern Hemisphere, the 1990s was likely to have been the warmest decade and 1998 the warmest year during the past 1,000 years. The graph was featured in publicity, and became a focus of dispute for those opposed to the strengthening scientific consensus that late 20th century warmth was exceptional. In 2003, as lobbying over the 1997 Kyoto Protocol intensified, efforts by the Bush administration to remove climate reconstructions from the first Environmental Protection Agency and Jim Inhofe's Senate speech claiming that man made global warming is a hoax both drew on the Soon and Baliunas controversy. Later in 2003, Stephen McIntyre and Ross McKitrick published disputing data in the MBH98 paper, but their argument was refuted. In 2004 Hans von Storch said that the MBH98 statistical techniques understated variability, but he erred in saying this undermined the overall graph. In 2005 McIntyre and McKitrick criticised the principal components analysis methodology in MBH98 and MBH99, but and pointed to errors made by McIntyre and McKitrick. The National Research Council North Report in 2006 supported MBH with minor caveats. The Wegman Report supported McIntyre and McKitrick's study, but was subsequently discredited. Arguments against the MBH studies were reintroduced as part of the Climatic Research Unit email controversy, but dismissed by eight independent investigations. The test in science is whether findings can be replicated using different data and methods. More than two dozen reconstructions, using various statistical methods and combinations of proxy records, have supported the broad consensus shown in the original 1998 hockey stick graph, with variations in how flat the pre 20th century "shaft" appears.