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)
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)
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)
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 (75о06' S, 123о21' 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 -55оС), 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 линий соответствуют потеплениям (рис. из обсуждаемой статьи в журнале Science)
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)
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


10
Показать комментарии (10)
Свернуть комментарии (10)

  • spark  | 17.08.2007 | 23:42 Ответить
    У меня несколько вопросов.

    1. Если я правильно понимаю, то 41,000-летнее изменение угла наклона оси -- это не нутация. Нутация -- это быстрые, намного быстрее частоты прецессии колебания оси наклона; для Земли самая большая по амплитуде компонента нутации имеет период 18,6 лет и вызваны периодичностью изменения орбиты луны.

    2. А почему в кернах изучался дейтерий, а не кислород-18? Он чем-то более предпочтительней?

    3. А как бы с ползучестью льдов на таком большом промежутке времени? Мне казалось, что Восток расположен удобно еще и тем, что льды уползают медленно. А тут предполагается что за 800 тыс. лет льды не уползли далеко.
    Ответить
    • Алексей Гиляров > spark | 18.08.2007 | 01:05 Ответить
      Cпасибо за комментарий. Про нутацию, как один из параметров, затрагиваемых циклами Миланковича, я прочитал в каких-то наших популярных текстах. По-английски они пишут OBLIQUITY, наряду с
      PRECESSION и ECCENTRICITY. Если Вы знаете, как правильно
      по-русски это назвать, дайте знать и я попрошу редактора изменить.
      Может, сказать просто "наклон"?
      Я раньше по наивности полагал, что главное это изменения формы
      орбиты (эксцентриситет), т.к. циклы там порядка 100 лет, как
      и климатические циклы, но в обсуждаемой работе подчеркивается,
      что главное это "interplay between obliquity (through the mean annual high-latitude insolation) and precession (in the timing of glacial-interglacial transitions)". Про циклы Миланковича хороший текст по-английски в Википедии: http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles
      Чем предпочтительнее дейтерий тяжелого кислорола, не знаю. Но сейчас иногда определяют и дейтерий и кислород-18. Место, где этот купол С, видимо, действительно удобное. В первой публикации в Нейчер в 2004 году авторы писали:
      The site at Dome C, chosen for its exceptionally thick ice, is flat, white, and bitterly cold, with temperatures ranging from -50 °C at the start of the season to -25 °C in the middle of the Antarctic summer. But it is a surprisingly pleasant place to work. Located at the summit of a dome of ice, it escapes the chilling winds that sweep down Antarctica's slopes.
      Ответить
      • spark > Алексей Гиляров | 18.08.2007 | 01:29 Ответить
        Obliquity -- это просто наклонение оси вращения к эклиптике. А вот изменение этого наклонения, вроде как, никаким отдельным словом не обозначается. Так что, на мой взгляд, можно просто написать "изменение оси наклона".

        Про эксцентриситет вообще забавная история. Все отмечают, что наиболее близки к климатическим циклам по частоте именно изменения эксцентриситета, но они же и самые слабые в смысле вывываемых ими вариаций инсоляции. Поэтому долго думали, как эти колебания сделать большими. Из этого, кстати, и родилась идея стохастического резонанса, http://elementy.ru/lib/164581 . Однако насколько я вижу из климатологических статей сами климатологи эту выдумку физиков-теоретиков не особо приветствовали. Но предложить какой-то свой реально работающий механизм, избирательно усиливающий именно слабые колебания эксцентриситета, они не могли.

        А потом более аккуратные модели показали, что 100 тыс.-летнюю квазипериодичность можно получить и наложением прецессии и вариации наклона оси. Вот например статья, цель которой развенчать "эксцентриситетный миф": "Mid-Pleistocene revolution and the eccentricity myth", Mark A. Maslin & Andy J. Ridgwell, Geological Society, London, Special Publications; 2005; v. 247; p. 19-34;
        PDF статьи легко находится в сети, если сделать поиск по "eccentricity myth".

        Т.е. сейчас, как я понимаю, считается что эксцентриситет не является главной движущей силой климатических периодов в 100 тыс. лет.
        Ответить
        • Алексей Гиляров > spark | 18.08.2007 | 12:17 Ответить
          Спасибо за комментарий и ссылку. Я уже попросил редакторов убрать из текста термин "нутация" и прошу меня простить за допущенную неточность. Не будучи специалистом в данной области, я доверился тексту энциклопедии на ЭЛЕМЕНТАХ. А там, видимо, не по делу говорится про НУТАЦИЮ. Вдобавок к тому, что непросто объяснить, как порождаемые циклами Миланковича слабые изменения инсоляции приводят к существенным изменениям температуры, трудности возникают и в оценке роли СО2, пик которого всегда идет со значительным запозданием по отношению к температуре (хотя если поразмыслить, то так и должно быть), а главное - как объяснить остановку разогрева, возврат к очередному ледниковому периоду. Достаточно ли для этого "остановки петли Брокера" (меридиональной циркуляции Атлантического океана, охватывающей всю его толщу)?
          Ответить
          • spark > Алексей Гиляров | 18.08.2007 | 12:48 Ответить
            Да, в энциклопедии Трефила, к сожалению, есть немало ошибок, и эта -- далеко не самая грубая.
            Ответить
  • PavelS  | 18.08.2007 | 12:50 Ответить
    Существует ли достаточно простое объяснение, позволяющее объяснить, почему оледенение полюсов приводит к ледниковому периоду? То что при ледниковом периоде полюса леденеют - понятно, но не понятно, почему лёд на полюсах есть причина оледенений. ИМХО деланье белой поверхности Земли там, где и так темно, должно не сильно снижать разогрев, но должно экономить на излучательной способности - интуитивно ожидается глобальное потепление на фоне полярного оледенения.
    Ответить
    • spark > PavelS | 22.08.2007 | 01:40 Ответить
      Попробую ответить, как я понимаю ситуацию.

      Прежде всего, массовое оледенение в высоких широтах и как следствие повышение альбедо земли в целом, разумеется, снижает долю солнечной энергии, которая поглощается Землей. Но это только одна из причин, самая прямая. Есть разных цепочки обратной связи, которые дополнительно способствуют "удержанию" холодного глобального климата.

      Например, при похолодании океана повышается растворимость газов, в частности, CO2, что приводит к уменьшению его концентрации в атмосфере и ослаблению парникового эффекта. Впрочем, это лишь одна из причин изменения атмосферного CO2 при глобальном похолодании, есть и другие (какая из этих причин более важная, пока неизвестно; подробнее см. последний отчет IPCC, WG1, глава 6, Box 6.2.).

      Затем, уменьшается общая площадь лесов, а тундра и пустынные степи наоборот растут. Это дополнительно увеличивает альбедо, уменьшает сток углерода через фотосинтез, и приводит к более пыльному климату.
      При этом также усиливается перепад температур между тропиками и высокими широтами, что приводит к изменению паттернов атмосферной циркуляции, и в частности, приводит к усилению ветров. В результате ветра поднимают в атмосферу пыль, которая служит аэрозолем и уменьшает световой поток, достигающий Земли.

      Ну и т.д. Много взаимосвязей. Если учесть все твердоустановленные связи, то получается, что после значительного оледенения земля находится в довольно устойчивом состоянии холодного климата. Вывести из него сможет лишь удачное сочетание параметров орбиты, при которых световой поток в высоких широтах летом будет аномально высоким. Примерно так это все и циркулирует, хотя есть, конечно, много деталей, не до конца понятых.
      Ответить
  • antey  | 20.08.2007 | 10:51 Ответить
    obliquity - наклонение орбиты
    precession - прецессия
    eccentricity - эксцентричноть

    никаких нутаций нет.

    Собственно в чем новизна данной работы??? еще Платон говорил об изменениях климата и прецесси планет...
    http://www.geocities.com/dominorus/plato_r1.html

    слава богу, что в этой статье хотя бы нет истошных воплей об антропогенном воздействии на климат. Еще раз повторю в продолжение темы: http://elementy.ru/news/430566
    -потепеление в глобальном масштабе НИКАК не связано с так называемым антропогенным фактором.
    -с "антропогенным фактором" связаны груды мусора, свалки, варварство и дичь. Однако, на климат в глобальном масштабе это опять же НИКАК не вляет.

    К тому же россиянам и россиянкам нужно радоваться, что на планете становится теплее. Меньше бомжей будет вымирать зимами, а к ним ведь многих из выше указанных могут присоединиться.
    Ответить
    • Алексей Гиляров > antey | 23.08.2007 | 17:56 Ответить
      Cовременный человек Homo sapiens из Африки начал свою миграцию только 65 тыс. лет тому назад. А по данным ледовых кернов в Антарктиде анализируются события, происходившие в течение 400-800 тыс лет. Поэтому конечно в данном случае антропогенный фактор не причем. Но если мы с вами рассмотрим пару последних СТОЛЕТИЙ (т.е. перейдем к другому временному масштабу), то антропогенный эффект уже будет проявляться. Он НЕ МОЖЕТ НЕ ПРОЯВЛЯТЬСЯ просто потому, что каждый год человек, сжигая ископаемое топливо, выбрасывает в атмосферу не менее 7 Гт углерода в год. Примерно половина этого количества остается в атмосфере, остальное где-то связывается (где этот missing sink пока точно неизвестно, но скоро найдут). Процесса, аналогичного сжиганию ископаемого топлива, до человека просто не было. Поэтому определенный вклад в рост концентрации парниковых газов человек конечно вносит. Не может не вносить. Это совершенно не зависит от нашего отношения к Киотскому протоколу и от того, где мы живем - в тропической Африке или в Восточной Сибири. Все равно мы вынуждены признать (если конечно верим в закон сохранения вещества), что человек, сжигая ископаемое топливо, способствует нагреванию планеты. Споры могут вестись только о процентном соотношении природных и антропогенных факторов.
      Ответить
  • nvk1  | 21.11.2007 | 09:53 Ответить
    Очень красивое объяснение изменением прецессии дает Олег Сорохтин. И вообще книга в высшей степени любопытная. Очень рекомендую.
    Сорохтин О.Г. Эволюция и прогноз изменений глобального климата Земли.
    http://shop.rcd.ru/details/997
    Никита Кучерук
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»