450 подписчиков

Говорящий лед

1 декабря 20231 дек 2023

10 мин

Оглавление

Когда и как Антарктида стала ледяным континентом?
Об исследованиях ледяной толщи Антарктиды

«Во первых строках своего письма» выражаю благодарность Алексею — автору комментария к моему обзору по теме изменения климата. Он попросил подробнее рассказать о ледяных кернах как источнике научной информации. Это оказалось очень интересным заданием. Добываемые с помощью глубинного бурения пробы горных пород, грунта, донных отложений и льда — это и есть керны. Любимый объект исследований для геологов и других специалистов. Существует большое количество видов исследований кернов, которые подразделяются на литолого-петрографические, геохимические, палеонтологические, биостратиграфические и палеоклиматологические. В рамках моей рубрики «Глобальные вызовы» остановимся сейчас на исследованиях кернов для целей изучения изменений климата. В настоящее время значительная часть этих работ сосредоточена в Антарктике. Антарктида — малоизученный континент и настоящий рай для ученых, поскольку любая другая деятельность, кроме научной, там запрещена.

Всем известно, что Антарктида — царство холода. В продолжительный период полярного дня континент получает много солнечной радиации, но она почти полностью (на 90 процентов) отражается обратно в атмосферу за счет белой поверхности суши и моря. Толщина вечного льда, покрывающего материк словно щит, доходит до 4,8 километров. Это планетарного размера «морозильник».

Однако, выясняется, что так было не всегда.

Международный исследовательский коллектив в 2017 году получил керны донных отложений на шельфе у ледника Сосновый остров в западной части Антарктиды. Результаты анализа образцов, датированных средним Меловым периодом (примерно 95-98 лет назад) опубликованы в журнале Nature в 2020 году.

Известно, что обозначенный период был самым теплым за последние 140 миллионов лет. Уровень моря был на 170 метров выше, чем сейчас. В тропиках температура поверхности океана достигала 35 градусов Цельсия. Но до сих пор ничего не было известно о климате Антарктиды в тот период.

Исследователи просканировали полученную осадочную толщу и обнаружили следы густой сети корней растений. Древняя почва настолько хорошо сохранилась, что содержит следы пыльцы, спор и цветов. Ученые смогли различить даже отдельные клеточные структуры. По этим образцам реконструировали растительность и климат Антарктиды 90 миллионов лет назад. Среднегодовая температура в 500 милях от Южного полюса достигала 12 градусов Цельсия, а летом поднималась до 19-20 градусов. При этом почти треть года длилась полярная ночь. Такой климат мог существовать лишь в условиях плотного растительного покрова на континенте и в отсутствии крупных ледниковых щитов в районе Южного полюса, отмечают авторы исследования. Как они выяснили, тогда побережье Западной Антарктиды было покрыто густым, болотистым лесом, похожим на леса современной Новой Зеландии. Концентрация углекислого газа в атмосфере также была намного выше, чем предполагалось ранее (не 400, как сейчас, а около 1600 единиц на миллион). Парниковый эффект вовсю нагревал Землю.

Когда и как Антарктида стала ледяным континентом?

Это произошло 34 миллиона лет назад, причем очень быстро (по геологическим меркам), в течении нескольких тысяч лет. До 2017 года было две конкурирующие гипотезы, объясняющие такой резкий переход.

Одна связывает быстрое охлаждение Антарктиды с перераспределением океанских течений, произошедшим в результате крупного геологического сдвига — расширения и углубления пролива Дрейка, разделяющего Южную Америку и Антарктиду. Последняя сдвинулась к Южному полюсу, а в проливе усилилось перемешивание воды. Теплые течения, подобные Гольфстриму, резко повернули к северу, образовалось мощное круговое антарктическое полярное течение, которое существует до сих пор и закрывает путь относительно теплым водам на юг. По этой причине Антарктида стала ускоренно охлаждаться.

Вторая гипотеза объясняет остывание всей поверхности Земли, и Антарктиды в частности, уменьшением содержания СО2 в атмосфере, которое началось около 60 миллионов лет назад. Но по какой причине случился скачкообразный переход к образованию Антарктического ледяного щита?

Ученым канадского Университета Макгилла удалось совместить обе гипотезы и добиться правдоподобного объяснения появлению щита. Из их модели следует, что перемешивание океана и возникновение новых течений привело к усилению осадков. Постоянные дожди начали вымывать углекислый газ из атмосферы. На поверхности земли он взаимодействовал с горными породами и связывался в них. Содержание СО2 в атмосфере упало достаточно резко, снизился парниковый эффект, средняя температура в Антарктиде упала ниже нуля. Сильные осадки там стали выпадать в виде снега, а уже он, уплотняясь и не тая, превратился в ледяной щит. Лед в свою очередь начал усиленно охлаждать атмосферу континента. К нашему времени антарктический ледяной щит стал крупнейшим на планете. В нем содержится порядка 30 млн куб. км льда – около 80 процентов всей пресной воды на планете – а сама Антарктида остается самым холодным местом на ней.

Об исследованиях ледяной толщи Антарктиды

Как уже было сказано, лед Антарктиды имеет, в основном, атмосферное происхождение. Он накапливается постепенно. Каждая новая зима со снегопадами оставляет свой след. Получается как бы слоеный пирог. Эти слои содержат пылевые включения и пузырьки воздуха, захваченные снегопадом из атмосферы. Вскрывая их, можно определить состав атмосферы далекого прошлого. А с помощью изотопного анализа включений удается узнать температурные условия в разные временные периоды. Четкие слои облегчают датировку включений. Но лед как агрегатное состояние воды имеет свойство течь. Он деформируется и под собственной тяжестью. Слои при этом смещаются, что затрудняет их датировку. По этой причине на данный момент наиболее достоверные результаты получают при анализе кернов «глубиной» до 800 тысяч лет. Наиболее представительная коллекция таких кернов собрана во время реализации Европейского проекта ледового бурения в Антарктиде (European Project for Ice Coring in Antarctica— EPICA) в 1996–2005 годах.

Существует понятие «временное разрешение керна». Это самый короткий период времени, который можно различить при исследовании. Поверхностные слои льда в норме соответствуют одному году. Без специальных ухищрений неплохо отслеживаются последние 11 тысяч лет. А это как раз эпоха голоцена — текущий межледниковый период, в котором мы с вами живем. Изменения климата в голоцене представляют и научный, и практический интерес. Вроде бы, мы многое знаем об антропогенном влиянии на «парниковый экран» атмосферы, но ведь это влияние существует от силы три века. А климат менялся и до этого.

В январе 2023 года международный коллектив авторов опубликовал в журнале Nature статью «Сезонные температуры в Западной Антарктике в период голоцена», которая проясняет вопрос, что еще влияет на циклы похолоданий-потеплений кроме колебаний содержания парниковых газов в атмосфере. Идея работы состояла в том, чтобы с помощью анализа ледяных кернов посмотреть колебания температуры не просто по годам, а по сезонам — лето и зима. Для этого исследователям пришлось преодолеть проблему диффузии изотопов в верхнем слое льда. Этот слой не монолитен, он напоминает пенопласт, в котором поры между гранулами заполнены воздухом. Из-за этого происходит изотопный обмен между молекулами водяного пара, запечатанными во льду — по этой причине летние и зимние температуры было трудно различить. В общем, проблема была решена элегантным образом.

Пересказывать не буду, это слишком специальные вопросы (см. статью). В результате решения проблемы диффузии изотопов сезонные температуры в голоцене удалось измерить. Выяснилось, что летние температуры колебались значительно сильнее зимних, а зависит это от интегральной инсоляции (продолжительность летнего сезона и количество поступающей за это время солнечной энергии).

Основной вывод авторов статьи состоит в том, что сезонные изменения в поступлении солнечной энергии в гораздо большей степени ответственны за начало и окончание ледниковых периодов, темпы таяния полярных льдов и уровень Мирового океана, чем среднегодовые температуры на планете (определяемые состоянием парникового слоя). А инсоляция зависит от вариаций орбитальных параметров Земли. То есть, полученные результаты подтвердили гипотезу Миланковича о влиянии космических циклов на колебания климата на Земле (что такое циклы Миланковича можно посмотреть в Википедеи).

По мере совершенствования методов исследования ледяных кернов растут возможности ученых по продвижению вниз по временной шкале. В Антарктиде началась настоящая гонка за образцами самого древнего льда. Не спорта ради, а для отгадывания все новых загадок. Уже имеются ледяные керны с четко датированным возрастом более миллиона лет. А как раз миллион лет назад, в середине плейстоцена, произошел переход в циклах глобальных оледенений: межледниковые периоды в 40 тысяч лет сменились периодами в 100 тысяч лет. Это стало известно в результате многочисленных исследований донных морских отложений.

Но причины, которые привели к перестройке климатической системы планеты (в англоязычной литературе – Mid Pleistocene Transition – MPT), остаются неизвестными. А это уже тревожно: а вдруг циклы перестроятся опять, пауза между оледенениями сократится, и человечество вместо глобального потепления, неожиданно столкнется с не менее губительным глобальным похолоданием?

С решением проблемы MPT в настоящее время связывают прогресс в понимании роли углеродного цикла в глобальных климатических изменениях. Необходимым условием для исследования этой проблемы является наличие количественных данных об изменении климата и газового состава атмосферы за последние 1,5 млн лет. Считается, что эти данные могут быть добыты при изучении кернов древнего льда, залегающего в основании Восточно-антарктического ледникового покрова. На получение такого керна нацелен новый международный проект глубокого бурения в Антарктиде, предложенный Международным партнерством в изучении ледяных кернов (International Partnerships in Ice Core Sciences – IPICS) в качестве приоритетного для антарктической науки на ближайшие два десятилетия. Вместе с тем результаты предварительного изучения ледяных кернов, поднятых на российской антарктической станции Восток из интервала глубин 3310-3539 м, показывают, что комплексные исследования залегающего здесь очень древнего антарктического льда могут дать важную информацию как о генезисе МРТ, так и о методических трудностях, ожидающих исследователей нового керна, который будет получен при реализации будущего, весьма дорогостоящего международного проекта.

В связи с этим российская сторона предложила осуществить предварительную программу всесторонних исследований древнейшего антарктического льда со станции Восток, в задачи которой входят:

1) уточнение датировок древнейшего льда с использованием новых методов датирования, разработка которых будет продолжена в рамках предлагаемого проекта;

2) проведение структурных, изотопных и газовых анализов керна и получение данных об изменении климата и газового состава атмосферы в период времени от 1,5 млн. до 0,8 млн. лет назад;

3) исследование роли отдельных климатообразующих факторов (концентрации углекислого газа, размеров Восточно-антарктического ледникового щита) в глобальной перестройке климатической системы в середине плейстоцена;

4) оценка перспективности районов, лежащих вверх по течению льда от станции Восток (вблизи Ледораздела B), для осуществления нового международного проекта глубокого бурения льда с целью получения непрерывного палеоклиматического ряда длиной 1,5-2,0 млн. лет.

Данная программа была поддержана Российским научным фондом в 2018 году и продлилась 3 года. Ее главное достижение — совершенствование методов научного анализа в применении к ледяным кернам. Российскими учеными были предложены два метода абсолютного датирования — один основан на измерении размера гидратов воздуха во льду (они увеличиваются с возрастом), а второй — на измерении концентрации радиоактивного изотопа криптона. Этими методами удалось уточнить возраст сдвинутых и перемешанных нижних слоев керна, добытого на станции Восток с глубины свыше 3300 метров — он достигает 1,2 миллиона лет. Таким образом, появилась реальная возможность разобраться с проблемой МРТ.

С содержанием российской программы и ее результатами можно подробнее ознакомиться в отчете.

Между тем, в Антарктиде уже добыт древний лед возрастом около 5 миллионов лет.

Новые данные сулят ученым немало открытий.

Почитать подробнее: