Доисторическая климатология

В. Николаев, кандидат географических наук

Введение

В 1961 году Всемирная метеорологическая организация совместно с Международным агентством по атомной энергии объявили о начале международной научной программы изучения изотопного состава атмосферных осадков. Предполагалось, что дождевая вода несет в себе уникальную информацию о процессах в атмосфере и сможет рассказать ученым о многом. Надежды быстро оправдались - уже через три года датский профессор Вилли Дансгор нашел взаимосвязь изотопного состава атмосферных осадков и таких параметров, как широта, долгота, высота над уровнем моря, удаленность от побережья, температура приземного воздуха в месте выпадения осадков.

Время шло, ученые продолжали исследования, и к сегодняшнему дню создан банк данных, где собраны среднемесячные показатели изотопного состава атмосферных осадков почти с 250 метеорологических станций мира, из которых на 150 программа выполнялась не менее трех лет, а на 30 станциях - в течение 30-40 лет. На таких станциях-"долгожителях" продолжительность изотопных исследований уже сопоставима с изменениями климата (оказывается, за этот период он менялся довольно существенно: жаркие периоды уступали место холодным, а засушливые - влажным). Продолжительные наблюдения дали возможность проследить взаимосвязь долговременных изменений изотопного состава атмосферных осадков с колебаниями температуры и влажности приземного воздуха.

К сожалению, российские ученые активно подключились к международной программе изотопных исследований недавно, поэтому первая карта изотопного состава атмосферных осадков для большей части территории России увидела свет только в 1998 году.

Какой климат был сто, тысячу, миллион лет назад? Сегодня на этот вопрос исследователи вполне могут дать однозначный ответ. С помощью изотопного метода стало возможным воссоздать климат прошлого, и весьма далекого, доисторического.

В молекуле воды могут присутствовать разные изотопы: радиоактивные ( тритий - ³ Н) и стабильные ( протий - ¹ Н, дейтерий - ² Н) у водорода и (¹⁶ О, ¹⁷ О, ¹⁸ О) у кислорода. В принципе можно измерять соотношение любых изотопов разных химических элементов, но все же в качестве метки ученые выбрали относительное содержание стабильных изотопов кислорода. В природе их существует три. Самый распространенный - ¹⁶ О (99,759%). Затем идет ¹⁸ О (0,204%) и, наконец, ¹⁷ О (0,037%). Понятно, что малая распространенность в природе изотопа ¹⁷ О создает дополнительные трудности при проведении измерений. Поэтому наиболее удобным оказалось соотношение концентраций изотопов кислорода ¹⁸ О/¹⁶ O.

Как же по этому соотношению определить климатические условия? Подход к этой задаче несложен, и принцип заключается в следующем: различие между массами изотопов данного элемента определяет разную подвижность и отдельных атомов, и молекул, состоящих из различных изотопов. Оказывается, что более легкие молекулы обладают большей кинетической энергией, чем тяжелые, и более подвижны. Поэтому, например, при испарении воды с открытой поверхности легкие молекулы улетучиваются в первую очередь, то есть пар обогащается изотопом ¹⁶ О по сравнению с жидкой фазой. В целом при плавлении и испарении лед оказывается обогащенным тяжелыми изотопами по сравнению с водой, а вода обогащена ими по сравнению с паром. При этом соотношение изотопов в различных состояниях воды зависит от температуры, при которой протекали процессы испарения / конденсации или плавления/ замерзания. Поэтому изотопный состав атмосферных осадков и может служить индикатором как сезонных, так и длительных колебаний температуры приповерхностного слоя атмосферы.

Полярные ледники

Изотопная (климатическая) метка атмосферных осадков может храниться сотни тысяч лет во льду полярных ледников и в вечной мерзлоте, почвенных карбонатах, фосфатах костей млекопитающих, древесных кольцах.

По общему признанию, самые впечатляющие открытия последних лет в области палеоклиматологии сделаны при бурении ледниковых щитов и исследованиях ледяного керна в центральных районах Гренландии и Антарктиды, где ледовая поверхность практически никогда не тает, а значит, и содержащаяся в ней информация о температуре приземного слоя атмосферы сохраняется на века. Совместными усилиями российских, французских и американских ученых удалось получить данные по изотопному составу ледяного керна из сверхглубокой ледовой скважины (3350 м) на российской антарктической станции "Восток". Это позволило в той или иной степени воссоздать климат нашей планеты, правда, "всего лишь" за последние 420 тысяч лет. Об этих результатах неоднократ но писали многие газеты и журналы.

Так, по данным профессора Казанского университета А. Соломатина, средняя температура в районе станции "Восток" за последние 420 тысяч лет колебалась примерно от -54 до -77^о С. Ученые выявили четыре климатических цикла "потепление-похолодание" с периодичностью около 100 тысяч лет. Конечно, среднегодовые температуры по всей планете изменялись в гораздо более узком диапазоне, чем в Антарктиде, но закономерности колебаний климата были те же.

Современная среднегодовая температура в районе сверхглубокой ледовой скважины составляет -55,5^о С. Это означает, что наша плане