По какой-то причине у нас, людей, есть тяга ко всяким древностям. Нам нравится узнавать о том, какой из городов на Земле самый старый; когда и кем были созданы первые механические часы, построена первая пивоварня, сделан первый наскальный рисунок; сколько лет самому старому дереву и самому старому камню. Иногда за этими вопросами стоит не только праздное любопытство, но и научный интерес. Мы расскажем о самом древнем льде на нашей планете — где его можно найти, каков его возраст и зачем он нам нужен.
Интерес к прошлому связан с тем, что без знания и понимания движущих сил какого-либо процесса на предыдущих этапах его развития трудно адекватно оценить современную ситуацию и спрогнозировать будущие изменения. Яркий пример — климат. Инструментальные наблюдения за погодой и климатом начались примерно 150 лет назад (где-то раньше, где-то позже), и эти полтора века характеризуются довольно интенсивным изменением климатических характеристик, в том числе — значительным повышением температуры воздуха. Но чтобы понять механизмы и причины этих изменений, нам необходимо знать, каков был климат в доиндустриальную эпоху — сотни и тысячи лет назад, когда влияние человека на окружающую среду было относительно слабым. Изучением того, что собой представляла географическая оболочка нашей планеты в прошлом (до начала инструментальных измерений), занимается палеогеография, включающая в себя палеоклиматологию.
Методов и объектов исследования палеогеографии — великое множество, но если говорить в общем, то данные о прошлом записаны в «природных архивах» — объектах, в которых происходит непрерывное накопление материала, и свойства этого материала несут в себе информацию о том, при каких условиях он образовывался. Наиболее яркие примеры таких «архивов» — годичные слои деревьев и кораллов, донные осадки озер и морей, сталактиты пещер, лёссовые отложения пустынь, слои снега и льда в ледниках.
Анализ климатических рядов за последние 2000 лет, полученных на основе этих данных, в частности, показал, что современное потепление беспрецедентно по скорости и величине и не вписывается в рамки естественной изменчивости.
Особое место среди методов палеогеографии занимает бурение полярных ледяных щитов и изучение извлекаемых ледяных кернов. Ледяные слои накапливаются непрерывно на протяжении долгого времени, могут быть легко датированы и позволяют с большим разрешением реконструировать климатические условия, при которых они формировались. Так, изотопный состав льда (соотношение тяжелых и легких изотопов водорода и кислорода) зависит от температуры воздуха в момент выпадения осадков; содержание химических примесей и пыли может рассказать о характере атмосферной циркуляции, вулканической активности, площади морского льда, биологической продуктивности и других параметрах окружающей среды. Наконец, ледяные керны — единственный источник прямых данных о газовом составе атмосферы в прошлом, в том числе — о концентрации парниковых газов. Дело в том, что в центральных частях полярных ледников температуры настолько низкие, что даже летом не поднимаются выше 0 °C — соответственно, о таянии нет и речи, и лед образуется сухим способом за счет медленного спрессовывания снежных зерен. При этом воздух, содержащийся в порах снега, захватывается льдом и сохраняется в неизменном виде на протяжении тысячелетий.
Первые глубокие скважины во льду Гренландии и Антарктиды были пробурены в начале 1960-х годов, и с тех пор там было выполнено несколько десятков буровых проектов. В 1990-х годах на российской станции Восток (рис. 1) был успешно осуществлен российско-франко-американский проект глубокого бурения льда, благодаря которому был получен климатический ряд длиной 420 тыс. лет [ 2 ]. Впервые была надежно подтверждена важнейшая климатообразующая роль парниковых газов, а также показано, что современная их концентрация сильно превышает естественную изменчивость на протяжении последнего полумиллиона лет. В 2020 году концентрация СО 2 достигла 413 ppm (частей на миллион), а в древности составляла от 180 ppm в холодные эпохи до 280 ppm в теплые.
Данные ледяных кернов с самого начала широко использовались в отчетах Международной группы экспертов по климату в качестве того естественного фона, на который накладываются антропогенные изменения климата и окружающей среды в современную эпоху. На сегодняшний день самый длинный климатический ряд по ледяному керну (800 тыс. лет) получен в результате бурения льда в рамках европейского проекта EPICA в центральной части Восточной Антарктиды.Изучение ледяных кернов позволило установить общие закономерности естественных изменений климата планеты за последние 0,8 млн лет. В первом приближении изменения температуры были квазипериодическими и асимметричными. Приблизительно каждые 100 тыс. лет имели место короткие теплые межледниковья, сменявшиеся длинными холодными ледниковыми периодами, причем переход от теплых эпох к холодным был постепенным, а переход от холодных эпох к теплым — резким и интенсивным. Голоцен — современное межледниковье, в котором мы живем, — начался 11 700 лет назад. Интересно, что самый теплый этап голоцена, его термический оптимум, мы прошли 6–8 тыс. лет назад и с тех пор медленно двигались к следующему ледниковому периоду, но современное антропогенное потепление повернуло этот процесс вспять.
Первопричиной этих 100-тысячелетних климатических колебаний были так называемые циклы Миланковича — изменения параметров орбиты Земли, таких как наклон оси вращения, прецессия равноденствий и эксцентриситет (подробнее об этом см.). В ходе циклов Миланковича немного меняется приход солнечного тепла к высоким широтам Северного полушария в летнее время — это оказывает влияние на баланс массы покровных ледников и запускает сложный каскад обратных связей в климатической системе Земли, которые усиливают изначально слабый сигнал «солнечного форсинга».