Годичные кольца китайского можжевельника: уникальная летопись климата
Нина Даценко, Дмитрий Сонечкин, Чун Кин, Джин-Джин Лиу, Бао Янг
«Природа» №10, 2017
 Нина Михайловна Даценко — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Гидрометцентра России. Область научных интересов — динамика климата в прошлом и настоящем, численный долгосрочный прогноз погоды. |
 Дмитрий Михайлович Сонечкин — доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН. Научные интересы связаны с применением методов современной математической теории динамических систем к задачам динамики климата и численного долгосрочного прогноза погоды. |
 Чун Кин (Chun Qin) — научный сотрудник Института исследований окружающей среды холодных и засушливых регионов Китайской академии наук. Занимается реконструкциями и исследованием климатов прошлого. |
 Джин-Джин Лиу (Jing-Jing Liu) — научный сотрудник того же института. Область научных интересов — палеоклиматы и их реконструкция. |
 Бао Янг (Bao Yang) — заведующий лабораторией того же института. Специалист в области палеогеографии и палеоклиматологии. |
Современное изменение климата многими рассматривается как беспрецедентно быстрое из-за вызванного человеком увеличения концентрации в атмосфере так называемых парниковых газов, прежде всего углекислого. Те, кто в этом сомневается, говорят, что такое бывало и в прошлом. Для разрешения этой дилеммы в течение последних нескольких десятилетий были существенно активизированы исследования климатов прошлых тысячелетий.
Поскольку прямые измерения климатических характеристик (температуры воздуха, количества осадков и др.) в те далекие времена не велись, эти данные получают на основе косвенных откликов на изменяющийся климат различных индикаторов — изотопного состава донных отложений в океанах и озерах, ледниковых кернов Антарктиды и Гренландии, сталактитов и сталагмитов и т. д.
К одним из наиболее часто используемых палеоклиматических индикаторов относятся кольца годичных приростов деревьев. Однако далеко не все деревья могут хранить в своих стволах палеоклиматическую летопись. Первыми объектами исследований были знаменитые североамериканские секвойи, способные жить до 3 тыс. лет и даже более. Пионеры науки дендрохронологии, американцы Э. Дуглас, В. Ла-Марше, Е. Шульман и др., определили, что приросты секвой меняются циклически с периодом, близким одиннадцатилетнему циклу изменений числа пятен на Солнце. Но, несмотря на свою долговечность, секвойи оказались не очень полезны для выявления вековых и многовековых климатических колебаний. Дело в том, что секвойи способны хорошо адаптироваться к происходящим постепенно долгопериодным изменениям климата.
Некоторые другие североамериканские хвойные живут не менее долго, чем секвойи. Это, например, остистые сосны (Pinus longaeva). Так, возраст остистой сосны Прометей, срубленной в 1964 г., составил 4862 года, а возраст старейшей из ныне живущих сосен — Мафусаила — достигает 4847 лет. Такие деревья растут на высоте нескольких тысяч метров над уровнем моря, на верхней границе ареала своего распространения, где их жизнь держится на волоске. Поэтому они реагируют на долгопериодные изменения климата весьма существенно.
Используя данные, полученные при исследовании Мафусаила и других остистых сосен, произрастающих в той же самой горной долине в Калифорнии (США), американские ученые составили летопись толщин их годичных приростов (дендрохронологию) — «Тропу Мафусаила». Она покрывает период более 7 тыс. календарных лет. В этой и других подобных дендрохронологиях, составленных для разных районов североамериканских Кордильер, например в дендрохронологии «Хозяин Белых гор», видны циклические изменения годичных приростов с самыми разными периодами.
Наиболее выраженным в американских дендрохронологиях оказался период приблизительно 1600 лет. Самое крупное похолодание фиксируется около 5 тыс. лет назад, а самый недавний термический максимум — за тысячу лет до настоящего времени. Он совпадает по времени с так называемой Средневековой теплой эпохой, иначе называемой Эпохой викингов, ибо именно тогда викинги открыли и колонизовали Гренландию. Этот период детально изучен палеоклиматологами по многим другим индикаторам, включая европейские исторические хроники.
Однако стоит заметить, что другая хорошо изученная палеоклиматологами теплая эпоха, приходившаяся на время расцвета Римской империи (самое начало нашей эры), в дендрохронологиях остистых сосен представлена не улучшением, а существенным ухудшением климатических условий. Такое впечатление, что на начало нашей эры сдвинуто похолодание, которое было свойственно так называемому Темному средневековью (400–800-е годы), а длина вышеупомянутого 1600-летнего цикла в пионерных дендрохронологиях американских исследователей кажется завышенной (тем более что этот цикл не был найден ни в одной из дендрохронологий, опубликованных позже).
Этой ситуации есть объяснение. Так, некоторые американские ученые, работавшие уже во второй половине ХХ в., обратили внимание на то, что остистые сосны способны образовывать несколько колец приростов в течение одного вегетационного периода. Это бывает, например, в случае, когда из-за долгого отсутствия дождей запасы влаги в почве исчерпываются и дерево прекращает рост, а затем возобновляет его после выпадения достаточного количества осадков. Если не принимать это во внимание (что и случилось в исследованиях американских ученых), общая длина получаемых дендрохронологий остистых сосен преувеличивается и, значит, периоды видимых в них циклов завышаются.
Здесь следует упомянуть, что вопрос о датировке колец годичных приростов деревьев, т.е. об установлении календарного года, когда образовалось то или иное кольцо, достаточно сложен. Радиоуглеродный метод, который часто используется для установления возраста исторических артефактов, не позволяет установить дату с точностью до года, как это требуется в дендрохронологии. Поэтому специалисты обычно не пользуются этим методом, а начинают датировку с живых деревьев, чьи керны взяты в известном календарном году. Вариации приростов этих деревьев и тех, что жили несколько ранее, сравнивают и находят совпадающие участки. По ним датируются ранее жившие деревья. Затем аналогичные сравнения делаются с еще более старыми деревьями, те также датируются и т. д. Конечно, при этом возможны ошибки. Но они минимизируются при анализе большого количества экземпляров деревьев.
С середины ХХ в. дендрохронологические исследования начались в Западной Европе, Азии, Австралии, Южной Америке. В нашей стране возникли две школы дендрохронологов: одна — на Урале (в Свердловске, ныне Екатеринбурге) под руководством С. Г. Шиятова, другая — в Красноярске под руководством Е. А. Ваганова, ныне академика РАН. Советские дендрохронологи использовали в своих исследованиях гораздо более короткие ряды годичных приростов (обычно менее 400 лет) сосен, лиственниц и елей. Техника обработки рядов в их исследованиях была усовершенствована с целью исключения влияния неклиматических факторов (возраста дерева, микроэкологических условий его произрастания). При этом, кстати, выяснилось, что 11-летний цикл солнечной активности, которому придавали большое значение пионеры американской дендрохронологии, не влияет на рост деревьев существенно. Главной стала задача выявления вековых и многовековых вариаций приростов, обусловленных изменениями климата. Ясно, что решение этой задачи было ограничено сравнительно небольшой длиной рассматривавшихся рядов годичных приростов деревьев. Образно говоря, эти ряды можно было сравнить с измерениями, например, температуры, сделанными в градусах Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и т. д. без какой-либо взаимной калибровки.
Задача выявления долгопериодных колебаний климата по дендрохронологиям существенно упростилась после того, как исследования годичных приростов деревьев начались в КНР. Китайские ученые обнаружили, что в горах (на высотах 3000–3500 м над ур. м.) на северо-восточном краю Тибетского плато произрастают можжевельники, возраст которых достигает тысячи лет и более. Наибольшее внимание привлек можжевельник Sabina przewalskii, впервые описанный еще в XIX в. выдающимся российским исследователем Центральной Азии Н. М. Пржевальским. Живые деревья S. przewalskii составляют современную верхнюю границу леса в этом регионе Центрального Китая. Выше этой границы в условиях сухого климата и при отсутствии существенных экологических загрязнений сохранились остатки деревьев, живших за много веков до нашего времени.
Можжевельник Пржевальского, растущий на современной верхней границе леса (примерно 3500 м над ур. м.) на северо-восточном краю Тибетского плато
Собранная к настоящему времени коллекция толщин годичных колец можжевельников Пржевальского состоит из тысячи с лишним рядов. Среди них есть около сотни рядов продолжительностью более 1000 лет, в том числе 43 ряда длиной более 1500 лет. Один уникальный ряд имеет длину в 2504 года. Этот можжевельник рос с 2534 по 130 г. до н. э.
Полученные дендрохронологические данные показывают, что на период около 2250 г. до н. э. приходится группа самых малых годичных приростов. Самые же большие приросты наблюдались внутри двух временных интервалов: ~2000–1800 и 1000–800 лет до н. э. Между ними (примерно за 1600–1200 лет до н. э.) приросты опять были небольшими.
Ряд толщин годичных приростов можжевельника Пржевальского, остатки которого были найдены выше границы леса на северо-восточном краю Тибетского плато. Дерево прожило 2504 года
Здесь уместно указать, что критическим фактором для роста можжевельника Пржевальского считается количество осадков. Если их выпадает много, это благоприятствует росту, если мало — рост замедляется. В рассматриваемый регион Центрального Китая осадки приносятся вместе с летними муссонами, переваливающими Гималайские горы. Муссоны несут не только влагу, но и более теплый воздух из Индии. Поэтому, если ширина каких-то годичных колец можжевельников Пржевальского больше средней, это означает, что муссон был сильнее обычного и, следовательно, для роста деревьев складывались благоприятные условия. Наоборот, узкие кольца формировались в неблагоприятных сухих и холодных условиях слабого муссона.
Останки можжевельника Пржевальского, обнаруженные выше современной верхней границы леса на северо-восточном краю Тибетского плато
Индийский муссон — не обособленное явление в динамике климата. Степень его развития связана со многими другими одновременными изменениями в системе общей циркуляции атмосферы. Поэтому неудивительно, что отмеченные пиковые особенности дендрохронологии можжевельника Пржевальского взаимосвязаны с климатическими аномалиями в других регионах Земли. Так, к настоящему времени накоплено очень много палеоклиматических свидетельств того, что климатические условия в масштабах всего Северного полушария примерно за 4250 лет до настоящего времени были крайне неблагоприятными. Например, имеются археологические свидетельства и исторические хроники, которые сообщают, что это время совпадает с крушением самого древнего Египетского царства. Тогда же произошла деградация древней цивилизации в междуречье рек Тигра и Евфрата. Сходное катастрофическое развитие событий задокументировано для древней цивилизации на территории Индостана.
В попытках выяснить, чем вызваны все эти катастрофы, ученые обратили внимание на то, что примерно в 2310 г. до н. э. произошло чрезвычайно мощное извержение вулкана Гекла в Исландии. В атмосферу было выброшено несколько десятков кубических километров продуктов этого извержения. Слои вулканического пепла Геклы найдены во многих точках планеты. Запыление атмосферы привело к резкому похолоданию, которое, по-видимому, имело место во всем Северном полушарии. Североамериканские остистые сосны также зафиксировали это событие, замедлив свой рост.
Что касается сокращения годичных приростов можжевельников Пржевальского в середине 2-го тысячелетия до н. э., то его можно связать с другой известной катастрофой — извержением вулкана Тера на греческом острове Санторин. Оно произошло около 1610 г. до н. э., и с ним принято связывать исчезновение самой древней греческой цивилизации, называемой минойской.
Дендрохронология, построенная по данным 43 рядов годичных приростов можжевельника Пржевальского, каждый из которых прожил не менее 1500 лет. Красная ступенчатая линия указывает, сколько годичных колец приходится на каждый календарный год
Таким образом, китайские можжевельники-долгожители еще раз подтвердили, что многие древние цивилизации, существовавшие в 3-м и 2-м тысячелетиях до н. э., стали жертвами катастрофических вулканических извержений.
Интересно, что несколько сотен лет спустя после этих извержений толщина годичных колец можжевельников Пржевальского резко возросла. Представляется вероятным, что огромное количество выпавшего вулканического пепла сначала подавило жизнедеятельность растений, а по прошествии некоторого времени, наоборот, обогатило почвы минералами и тем самым ускорило рост деревьев. Так в долгосрочной перспективе сверхмощные вулканические извержения способствовали развитию новых человеческих цивилизаций.
При выполнении данной работы Н. М. Даценко и Д. М. Сонечкин пользовались финансовой поддержкой РФФИ (проекты 16-05-00140 и 16-05-00092).
Тысячелетние можжевельники Китая. Здесь и далее фото Ч. Кина