В скальной пещере ученые возвращаются на тысячи лет назад. Изучив состав камней, можно получить информацию о прошлых изменениях климата и окружающей среды. Но исследования требуют как смелости, так и осторожности.
(предыдущая часть)
Взаимосвязь осадков с пещерными камнями
Если зимы были холодными, осадков будет меньше. Затем почва промерзает дольше, а это значит, что летом значения получают большее число в воде, которая достигает пещеры. Однако, когда зимы теплые, богатые осадками, сигнал изотопа становится сильнее. Это означает, что более высокие значения (больше тяжелого изотопа кислорода по сравнению с более легким) указывают на то, что год был холодным, а более низкие значения указывают на то, что год был горячим. Таким образом, отрицательная корреляция между значениями изотопов и температурой – вопреки тому, что можно было предположить.
Сталагмит, который она забрала с собой в 2005 году, по-видимому, непрерывно рос на протяжении последних 4000 лет. В нем можно прочитать особенно высокие значения в 1300-1700-х годах. Это был холодный период, который обычно называют малым ледниковым периодом. Или особенно низкие значения в течение 800-1000-х годов, часто называемые периодом средневекового потепления.
Но у сталагмита также есть высокие значения более тяжелого изотопа кислорода по сравнению с более легкими в 350-100 годах до нашей эры, что указывает на еще один холодный период в истории области. Еще можно увидеть несколько периодов с низкими значениями, в том числе за последние двести лет, что по ее интерпретации означает теплые года.
Изотоп кислорода в спелеотемах
Использование стабильных значений изотопов кислорода (d18O) в спелеотемах в качестве палеоклиматического прокси было начато в 1960-х и 1970-х годах. Их использование в качестве наземной альтернативы ядрам морских осадков было подкреплено наблюдениями за тем, что окружающая среда пещер достаточно стабильна и должна отражать среднегодовую региональную температуру. В условиях равновесия значение спелеокарбоната 518O связано только с двумя переменными: значением 518O для капельной воды и температурой пещеры через контроль равновесного фракционирования между водой и кальцитом (Hendy, 1971; Kim and O'Neil, 1997; Kim et al., 2007). Несмотря на эту кажущуюся простоту, изменения d18O в глобальном водном цикле (Rozanski et al., 1993; Gat, 1996), связанные с несколькими изотопными эффектами, обычно больше по величине, чем изменения, связанные с температурозависимой фракционированием.
Эволюция изотопов кислорода будет прослеживаться через гидрологический цикл, начиная с поверхности океана, испарения и, наконец, конденсации атмосферных паров. Контроль за значениями 518O воды в гидрологическом цикле контролируется многочисленными процессами, связанными с фазовыми изменениями, например, океанская вода/пары/жидкость и т.д.
В ходе этих фазовых изменений возникают колебания в стабильном изотопном содержании, обусловленные как равновесными, так и кинетическими процессами. Фракционирование - это процесс, при котором один изотоп предпочтительнее другого при фазовом переходе (например, испарение жидкости в пар или выпадение CaCO3 из растворенного бикарбоната в капельной воде). Фракции могут быть как равновесными, так и кинетическими, причем последние представляют собой неравновесные условия, которые могут заслонять исходный климатический сигнал и приводить к выраженным колебаниям, наблюдаемым в значениях 518O.
На местном уровне значения 518O в океане связаны с соленостью, которая зависит от испарения, осадков над океаном, таяния морских льдов, циркуляции океана и атмосферы и стока пресной воды. Таким образом, значения 518O в океане чувствительны к близости к речному стоку (например, реки Амазонка и Миссисисипи) и зонам высокого испарения, таким как Средиземноморье и субтропические районы Северной Атлантики.
Контрасты солености между океаническими бассейнами могут сохраняться за счет атмосферного переноса испаренных вод за пределы бассейна, как в Карибском море (обогащенном за счет испарения и удаления пресной воды) в Тихий океан (поступление пресной воды в виде осадков).
Поэтому результаты должны сравниваться с тем, что показывают другие природные климатические архивы, для того, чтобы понять, как сталагмиты функционируют, а также для определения степени, в которой они отражают региональные или только локальные изменения климата.
Какую тайну прошлого хранят сталагмиты?
Когда пришло время отколоть образцы, на которые указала Ханна, Йоханнес Лундберг устраивается на животе и осторожно пробирается в украшенный проход, не надевая шлема, чтобы не повредить ни один из хрупких сталактитов на потолке. Первый сталагмит застрял в агломерате под грязью, и Йоханнес старается в течение получаса, чтобы вытащить его, как можно меньше влияя на пещеру. Второй сталагмит высвобождается значительно легче. Отделившись, Ханна аккуратно упаковывает их в свой мешок вместе с несколькими маленькими банками с образцами капельной воды.
Мы выбираемся из коридора и возвращаемся в один из больших залов пещеры, Пипкракесален. Там устанавливаем небольшую полевую кухню на наклонном блоке осадочных пород, который является полом зала. Когда свет наших фонарей падает на стены пещеры, она сверкает, как звездное небо. Это почвенные бактерии, которые отражают свет в мерцающих полосах серебра, и придают характерный запах пещере.
Что вы хотите увидеть, когда интерпретируете сталагмиты? - Спрашиваю Ханну, пока мы наслаждаемся сублимированной едой. Ханна начинает отвечать, но останавливается и смотрит хитро.
Самым простым было бы, конечно, если бы все сталагмиты показывали одно и то же – тогда их будет легче интерпретировать. Но на самом деле было бы интереснее, если бы они этого не делали, потому что тогда я должна была узнать больше о «моих» камнях и о том, что здесь произошло. Иногда сложное представляется очень забавным.