Климат Антарктиды в течение последних 800 тысяч лет определялся изменениями орбиты Земли

В этих кернах льда хранится ценная информация о нескольких тысячах лет климатических данных. На таких глубинах в одном метре льда может содержаться информация о 500 годах (фото с сайта www.gdargaud.net)

Анализ содержания дейтерия в колонке льда, взятой на куполе «С» в Антарктиде, позволил детально восстановить ход температуры за 800 тысяч лет. За это время было восемь периодов потепления, чередующихся с более продолжительными холодными периодами. Авторы работы, участники Европейского проекта по бурению Антарктического льда (EPICA), приходят к выводу, что наступление очередного холодного или теплого периода инициируется периодическими изменениями орбиты Земли.

Климат последних сотен тысяч лет характеризуется довольно четкой периодичностью: длительные оледенения сменяются более короткими периодами потепления. Сейчас мы живем как раз в теплое межледниковое время. Идея о том, что чередование глобальных похолоданий и потеплений может быть связано с циклическими изменениями параметров земной орбиты, высказал ещё в 1920-годы сербский исследователь Милутин Миланкович (Milutin Milanković); см. Циклы Миланковича. Испытывая притяжение солнца и других небесных тел, Земля действительно регулярно меняет форму своей орбиты, которая с периодичностью около 93 тыс. лет становится то более эллипсоидной, то более круговой (т. е. меняется её эксцентриситет). Кроме того, с периодичностью 26 тыс. лет меняется конус, описываемой Земной осью (прецессия), а с периодичностью в 41 тыс. лет — угол наклона земной оси к плоскости её орбиты. Комбинация этих изменений орбиты сказывается на количестве получаемого Землей тепла и на характере распределения его по поверхности планеты. Уменьшение инсоляции в высоких широтах приводит к очередному оледенению. Гипотеза о влиянии параметров орбиты Земли на ее климат начала находить свое подтверждение в 1980-х годах, когда появились хорошие данные по палеотемпературам, полученные при анализе донных отложений из разных точек Мирового океана.

В основе метода — определение относительного содержания тяжелого изотопа кислорода δ¹⁸O в кальците (из которого состоят панцири повсеместно встречающихся микроскопических планктонных фораминифер). При крупных оледенениях значительная часть воды, испарившаяся из океана и выпавшая на суше над ледниками, в океан не возвращается. Соответственно, молекулы воды, содержащие изотоп кислорода ¹⁸О, будучи более тяжелыми, чем обычные молекулы воды (с изотопом кислорода ¹⁶О), накапливаются в океане. При потеплении доля молекул воды с тяжелым изотопом кислорода, наоборот, уменьшается. Эти колебания в относительном содержании ¹⁶О и ¹⁸О в воде отражаются составом кальцита, из которого образуют свои раковинки фораминиферы, а также крупные животные — моллюски и плеченогие. Взяв колонку донных отложений, можно по тому, как изменяется δ¹⁸О с глубиной, судить о происходивших на Земле оледенениях или потеплениях.

Керны льда помещают во временное хранилище на куполе «С». Кусочки льда поедут в Европу для дальнейшего анализа, но большая часть керна будет храниться на станции в Антарктиде (фото с сайта www.gdargaud.net)

Блестящим подтверждением гипотезы о периодических изменениях температуры стали данные, полученные при бурении антарктического льда на российской станции «Восток». Поднятый там на поверхность ледовый керн (колонка льда), имея общую протяженность 3600 м, охватил слой льда, сформировавшийся за 420 тысяч лет. Помимо анализа газового состава пузырьков воздуха, сохранившихся во льду за многие тысячелетия, исследователи получили возможность проследить за изменениями температуры по содержанию во льду тяжелого изотопа водорода — дейтерия δD. Метод основывается на том, что пары обычной воды и «тяжёлой» (т. е. содержащей дейтерий) различаются температурой конденсации. Последние конденсируются и выпадают при меньшем охлаждении, чем обычные, «легкие», что и отражается составом льда, который при этом образуется. При потеплении дейтерия становится больше, а при похолодании меньше. Данные по ледовому керну со станции «Восток» до недавнего времени содержали самый длинный ряд наблюдений за температурой — 420 тыс. лет (опубликованы в журнале Nature в 1999 г.; на «Элементах» смотрите график в новостях от 6.10.2006).

Панорама Европейской международной станции Конкордиа на куполе «C» в Антарктиде. Именно около этой станции проводилось глубинное бурение льда, результаты которого публикуются в недавнем номере Science. Снимок сделан в конце полярной зимы (фото Гийома Дарго (Guillaume Dargaud) с сайта www.gdargaud.net)

И вот этот рекорд перекрыт. В журнале Science опубликованы материалы по изменению температуры Антарктиды за 800 тыс. лет. Авторы статьи (их 32!), исследователи из Франции, Германии, Дании, Исландии, Швейцарии, Италии, Бельгии и Великобритании, являются участниками Европейского проекта бурения Антарктического льда (EPICA — Project for Ice Coring in Antarctica). Работы проводили около станции Конкордия, расположенной в Восточной части Антарктики (75^о06' S, 123^о21' E), на куполе «С» (известном также как «купол Чарли» — Charlie),. Это место находится в 560 км от станции «Восток», и хотя там так же холодно (средняя годовая температура -55^оС), погода менее ветреная. Очень важно и то, что ежегодно откладываемые слои льда на куполе «С» тоньше, чем на станции «Восток», и нет подледного озера (о существовании которого конечно не могли подозревать те, кто выбирал место для станции). В результате, пройдя буром даже несколько меньшее расстояние (3260 м) и остановив бурение в 15 м от скалистого ложа, исследователи получили на куполе «С» временную развертку для значительно более длительного срока — для 740 тыс. лет. Пока опубликованы отнюдь не все материалы анализа, но подробные данные об относительном содержании дейтерия во льду (δD) в обсуждаемой статье приводятся, а именно по этой величине можно судить об изменениях температуры, при которой формируются осадки.

Многолетний ход двух независимо полученных показателей, характеризующих изменения температуры за 800 тыс. лет в районе Антарктиды. По оси абсцисс – возраст отложений в тысячах лет до настоящего времени (т.е. ход времени - справа налево). Чёрная линия вверху – данные по относительному содержанию дейтерия δD в колонке льда с Европейской станции (EPICA) на куполе «С». Синяя линия внизу – данные по относительному содержанию тяжелого изотопа кислорода δ18O в донных отложениях в Южном океане (в последнем случае – инвертированная шкала). Пики на обеих линиях соответствуют потеплениям (рис. из обсуждаемой статьи в журнале Science)

Выводы работы следующие. Во-первых, изменения во времени содержания дейтерия во льду Антарктиды хорошо соответствуют полученным ранее данным по содержанию тяжелого изотопа кислорода ¹⁸О в донных осадках: периоды похолодания и потепления, выявляемые этими двумя совершенно независимыми способами, совпадают (см. график).

Динамика различных показателей климата Антарктиды за 800 тыс. лет (по абсциссе — тысячи лет до настоящего момента): a — рассчитанная по параметрам орбиты инсоляция на широте 55о С.Ш. (июль) и 65о Ю.Ш. (средняя за год); b — относительное содержание дейтерия δD во льду (синяя линия — купол «С», красная — станция «Восток»). Чем больше дейтерия, тем теплее был климат; c — содержание тяжелого изотопа кислорода δ18O в донных осадках (разным цветом показаны данные, относящиеся к разным районам океана). При потеплении климата содержание δ18O в океанической воде снижается (обратите внимание, что используется инвертированная шкала; соответственно повышение температуры также отмечается пиками); d — содержание пыли во льду на куполе «С». Пыль откладывается в основном в период оледенений. (рис. из статьи: EPICA community members Eight glacial cycles from an Antarctic ice core в журнале Nature)

Во-вторых, для последних 400 тыс. лет получено прекрасное соответствие динамики во времени относительного содержания дейтерия (δD) на куполе «С» тому, что ранее для того же отрезка времени получено на станции «Восток». В-третьих, время наступления похолоданий и потеплений хорошо объясняется изменениями показателей орбиты Земли, хотя решающим оказывается не влияние эксцентриситета (формы орбиты), а взаимодействие прецессии (размер конуса, описываемого земной осью) и угла наклона оси к плоскости движения Земли вокруг Солнца. Авторы подчеркивают, правда, что рассчитанные изменения инсоляции на самом деле незначительны. По-видимому, эти изменения служат только инициаторами, механизмами, запускающими перестройку глобальной климатической системы (в том числе — систему океанической циркуляции), но, соответственно, должны быть и усиливающие механизмы, действие которых и приводит к регулярной смене глобального похолодания глобальным потеплением и наоборот.

Источник: J. Jouzel, V. Masson-Delmotte, O. Cattani, G. Dreyfus, S. Falourd, G. Hoffmann, B. Minster, J. Nouet, J.M. Barnola, J. Chappellaz, H. Fischer, J.C. Gallet, S. Johnsen, M. Leuenberger, L. Loulergue, D. Luethi, H. Oerter, F. Parrenin, G. Raisbeck, D. Raynaud, A. Schilt, J. Schwander, E. Selmo, R. Souchez, R. Spahni, B. Stauffer, J.P. Steffensen, B. Stenni, T.F. Stocker, J.L. Tison, M. Werner, E.W. Wolff Orbital and millennial Antarctic climate variability over the past 800,000 years // Science. 2007. V. 317. P. 793-796

См. также:
1) EPICA community members Eight glacial cycles from an Antarctic ice core // Nature. 2004. V. 429. P. 623-628 (Pdf файл всей статьи в свободном доступе)
2) Urs Siegenthaler, Thomas F. Stocker, Eric Monnin, Dieter Lüthi, Jakob Schwander, Bernhard Stauffer, Dominique Raynaud, Jean-Marc Barnola, Hubertus Fischer, Valérie Masson-Delmotte, Jean Jouze Stable сarbon cycle–climate relationship during the Late Pleistocene // Science. 2005. V. 310. P. 1313-1317
3) Lisiecki L.E., Raymo M.E. A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ¹⁸O records. 2005. Paleoceanography. V. 20. doi:10.1029/2004PA001071, 2005 (Pdf файл всей статьи в свободном доступе)
4) Гренландия всё быстрее теряет свой лед, «Элементы», 26.09.2006
5) 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас, «Элементы», 12.01.2007
6) European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)
7) Подборка хороших фотографий: The Epica glaciology project

Алексей Гиляров

Последние новости: Науки о Земле, Алексей Гиляров

9 февраля Колонии муравьев, состоящие из особей с разным типом поведения, оказываются более успешными

27 января Изменение ветров, дующих над Южным океаном, пошло на пользу альбатросам

11 января Для фитопланктона не действует закон Кляйбера

21 декабря Стойкость органического вещества почвы объясняется не столько его строением, сколько условиями, в которых оно пребывает

16 декабря «Живые ископаемые» саговники оказались вовсе не такими старыми

22 ноября Рост численности людей на Земле регулировался как положительными, так и отрицательными обратными связями

17 октября Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород

11 октября Валовая первичная продукция биосферы на 25–45% выше, чем предполагалось ранее

26 сентября Анализ зубной эмали динозавров показал, что температура их тела была как у современных млекопитающих

7 сентября Численность населения Земли достигла семи миллиардов — что дальше?

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):