Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

Во время бурения в Кэмп Сенчури ученые изучали и фотографировали участки ледяного керна по мере их извлечения, вели различные измерения, а сам лед сохраняли при низких температурах для будущих исследований. Образцы также отослали в Копенгаген датскому гляциологу Вилли Дансгору (самому ему не разрешили посетить место бурения и взять образцы, поскольку работы шли в американской военной зоне). Ранее Дансгор обнаружил, что изотопы кислорода в дожде и снеге являются индикаторами температуры, и высказал предположение, что ежегодные отложения гренландских снегов могут сохранять данные о температурах в прошлом нашей планеты. Первоначально он считал, что керн из Кэмп Сенчури может дать образцы для нескольких сотен лет, но оказалось, что он охватывает более ста тысяч лет истории. Его измерения — первые из тысяч измерений изотопов кислорода, которые позже проводили ученые с кернами из полярных льдов — детально показали, как менялась температура в Гренландии за этот период (рисунок 22).

Изотопы кислорода были краеугольным камнем исследований ледяных кернов с самых первых лет их проведения. Однако для отслеживания температуры разработаны и другие методы, и они подтверждают данные, полученные с помощью изотопов кислорода. Гренландский лед дает фиксацию только одного из многочисленных циклов ледниковых и межледниковых эпох, составлявших плейстоценовый ледниковый период, однако керны из Антарктиды дают информацию по многим циклам, а разрешение в мелком масштабе, обеспечиваемое слоями льда, позволяет изучать периоды потепления и остывания с мельчайшими подробностями. Наличие нескольких разных кернов из Гренландии и Антарктиды дает возможность сравнить графики температур, полученных из разных мест бурения, и тем самым проверить правильность хронологии для отдельных кернов. Особенно показательными оказались сравнения отдаленных кернов — из Гренландии и Антарктики: хотя они показывают, что изменения температуры во время ледниковых циклов были глобальными и примерно совпадали, они также демонстрируют, что в разных частях Земли их интенсивность была разной — отражение сложностей в климатической системе, которые до сих пор полностью не изучены.

Хотя информация о температуре важна, не менее ценны сведения, которые проливают свет на содержание парниковых газов в атмосфере. Но как получить изо льда информацию о парниковых газах? На самом деле довольно просто. Когда снег падает на ледники, сжимается и превращается в лед, в нем остаются крохотные пузырьки воздуха. Верхние слои ледяных кернов из Гренландии и Антарктиды полны видимых пузырьков — фактически крохотных капсул времени, содержащих образцы атмосферы, существовавшей на момент образования льда. Глубже в кернах пузырьки становятся меньше, и в конечном итоге исчезают из-за высокого давления, но воздух все же можно добыть, просто растопив лед. Полученные таким образом образцы воздуха оказываются очень маленькими, но современные аналитические приборы способны фиксировать даже исчезающе малое количество микропримесей газов, которые они содержат — например, двуокиси углерода или метана.

Рисунок 22. Первоначальные данные Вилли Дансгора по изотопам кислорода в ледяных кернах, полученных в 1966 году в Кэмп Сенчури (Гренландия). Ось времени логарифмическая и показывает время в годах перед 1968-м. Дансгор использовал временную шкалу, основанную на простой модели накапливания льда; сейчас известно, что она становится несколько неточной за пределами промежутка в 15 000 лет: на основании недавних корректировок на вертикальной оси показано истинное положение уровня 100 000 года. Как отмечено на диаграмме, меньшие значения для изотопов кислорода соответствуют более низким температурам, а большие — более высоким. Сплошная вертикальная линия соответствует современному состоянию. (Основано на рисунке 6–1 из работы Dansgaard, W. 2000; авторские права принадлежат Центру льда и климата Института Нильса Бора).

Во внутренних частях Антарктиды температуры оставались достаточно низкими, чтобы предотвратить таяние ледников даже в межледниковые эпохи, и поэтому ледяные керны с этого континента уходят в прошлое гораздо дальше, чем гренландские. Рисунок 23 показывает данные, полученные от одного из таких кернов: температура и другие свойства фиксируются с беспрецедентной точностью. Из этих данных можно сделать несколько выводов. Во-первых, хотя видны периодические изменения температур, эти колебания не идеально правильны. При беглом взгляде кажется, что пики (теплые периоды) на графике температур на рисунке 23 выглядят так, будто они случаются регулярно каждые 100 000 лет, однако, если присмотреться, видна их переменная продолжительность (это будет еще заметнее в тех данных из Антарктиды, которые соответствуют более далекому прошлому). Кроме того, для разных эпох отличаются формы пиков и впадин. Во-вторых, повышение температуры в начале теплых отрезков происходит гораздо быстрее, чем последующее охлаждение, что придает графику пилообразный вид. И наконец, теплые промежутки очень коротки. За последний миллион лет или больше средние температуры были существенно ниже современных.

Что могут рассказать такие наблюдения о циклах плейстоценового ледникового периода и в целом о том, как климатическая система Земли реагирует на различные действующие факторы (климатологи используют термин «действующие факторы» практически для всего, что влияет на изменение климата — от парниковых газов до альбедо и астрономических параметров)? Самое очевидное в данных из кернов — циклы температуры в 100 000 лет, которые в точности согласуются с теорией Миланковича, потому что эксцентриситет орбиты Земли меняется с таким же периодом в 100 000 лет: орбита из почти правильной окружности становится слегка вытянутым эллипсом, а затем меняется обратно. Два других фактора, рассмотренных Миланковичем — наклон оси и прецессия — обладают другой периодичностью: соответственно, примерно 41 000 и 23 000 лет. На графиках, подобных рисунку 23, такие периоды сразу не заметны, но в конечном итоге именно сочетание всех трех этих астрономических параметров и определяет, сколько солнечной энергии падает на различные точки поверхности нашей планеты. Если графики, подобные тем, что изображены на рисунке 23, разложить на компоненты, используя математические методы спектрального анализа, окажется, что их общий внешний вид действительно является совокупным результатом изменений, которые имеют периоды в 100 000, 41 000 и 23 000 лет. Такой анализ похож на то, как если бы мы взяли звуки симфонического оркестра и выделили отдельные музыкальные частоты, составляющие общее звучание: одни частоты важнее других. В случае температурных данных оказывается, что наиболее важными частотами являются три этих астрономических цикла, и это убедительно доказывает, что внешние факторы действительно оказывают сильное влияние на климат Земли. Поскольку астрономические циклы имеют разные периоды, иногда их воздействие складывается, и общий эффект усиливается, а иногда они нейтрализуют друг друга, и общий эффект ослабевает. В конечном итоге получается не идеально правильная последовательность ледниковых и межледниковых эпох.

Менее понятно, почему график температуры имеет пилообразный вид — с медленным переходом в