По ледяным кернам составлена полная летопись сезонных температур в голоцене

Рис. 1. Ледяной керн. Изображение с сайта eurekalert.org

Используя данные ледового бурения в Антарктиде, ученые впервые восстановили полную климатическую летопись за последние 11 000 лет раздельно для летнего и зимнего периодов. Авторы показали, что сезонная температура в полярных регионах четко реагирует на циклы Миланковича и что именно летняя температура, а не среднегодовая, определяет режим таяния полярных льдов и колебания уровня Мирового океана.

Важнейшим источником информации о климате Земли за последние сотни тысяч лет являются ледяные керны — столбики льда, извлекаемые из скважин при бурении на ледяных щитах Антарктиды и Гренландии (рис. 1). Ежегодно выпавший снег в полярных областях уплотняется и превращается в лед. Год за годом, тысячелетие за тысячелетием слои снега и образующегося из него льда накапливаются. При этом воздух, заполнявший изначально пространство между снежинками, запечатывается в виде пузырьков в толще льда. Вскрывая их, ученые определяют состав атмосферы прошлого, а с помощью изотопного анализа восстанавливают температурные условия на планете. Наиболее представительная коллекция таких кернов собрана во время реализации Европейского проекта ледового бурения в Антарктиде (European Project for Ice Coring in Antarctica — EPICA) в 1996–2005 годах. Возраст самых древних из них составляет 800 тысяч лет.

Временное разрешение керна — самый короткий период времени, который может быть идентифицирован, — зависит от годового количества выпавшего снега и уменьшается с глубиной, так как лед спрессовывается под собственным весом. Поверхностные слои льда в керне обычно соответствуют одному году. Чем глубже, тем слои тоньше, и отдельные годовые слои перестают различаться. Толщина самых верхних слоев льда, образовавшихся в текущую межледниковую эпоху (голоцен), начавшуюся 11,7 тысяч лет назад, в принципе позволяет отследить изменения температур раздельно по сезонам (лето/зима), но главным препятствием при этом выступает так называемая проблема диффузии изотопов.

Дело в том, что верхние слои состоят не из монолитного льда. Их внутреннее строение напоминает пенопласт, в котором поры между гранулами заполнены воздухом. Проходят многие столетия, прежде чем этот пористый агрегат превращается в сплошной лед. И все это время происходит изотопный обмен между молекулами водяного пара в порах и льдом — смешение изотопов, относящихся к слоям разных сезонов, или, как говорят геохимики, естественное сглаживание. В итоге, из-за невозможности разделить летние и зимние значения, график температуры для голоцена получался довольно невнятным (рис. 2).

Рис. 2. График температуры в Центральной Гренландии за последние 11 000 лет, построенный по данным ледового бурения. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Авторы недавнего исследования, результаты которого были опубликованы в журнале Nature, разработали новый способ интерпретации изотопных данных с учетом диффузии и применили его для анализа керна WDC, полученного при бурении Западно-Антарктического ледяного щита в рамках проекта West Antarctic Ice Sheet Divide ice core project (WAIS Divide). Это самый длинный ледяной керн, имеющийся в распоряжении ученых — 3405 м. Он охватывает временной промежуток около 68 000 лет.

Но авторов интересовала только его верхняя часть. Они поставили перед собой задачу, которую до этого не удавалось решить никому: построить скорректированный на диффузию график колебаний температуры в Западной Антарктике за последние 11 000 лет раздельно для летних и зимних сезонов. Ранее сезонные записи температур, восстановленные по ледяным кернам, охватывали только последние 2000 лет.

В качестве основного показателя исследователи использовали изотопный коэффициент δD, равный отношению дейтерия и протия (D/H) в образцах льда, отобранных через каждые 5 мм керна WDC, по сравнению со стандартным образцом VSMOW (Vienna standard mean ocean water), отражающим сегодняшнее соотношение изотопов водорода в водах Мирового океана (рис. 3).

Рис. 3. Изотопные отношения водорода δD: a — небольшой интервал, на котором показан пример того, как различаются первичные значения годовых максимумов (красные кружочки) и минимумов (синие кружочки) для первичных данных (пунктирная линия) и скорректированных с учетом диффузии (сплошная линия); b — амплитуды колебаний годовых значений δD; c — летние максимумы (красный график), зимние минимумы (синий график) и средние (сиреневый график) значения δD; горизонтальная линия — среднее значение для голоцена в целом. По горизонтали — возраст в тысячах лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Летние изотопные максимумы и зимние минимумы, полученные для каждого года, авторы с помощью определенного алгоритма преобразовали в температурные амплитуды и сравнили их с ранее реконструированными среднегодовыми температурами (рис. 4).

Рис. 4. a, b — изменчивость летних (a) и зимних (b) температур в Западной Антарктике за последние 11 000 лет, полученная авторами статьи, в сравнении с данными других моделей (ORBIT, GLAC1D, ICE-6G). Пунктиром показаны усредненные значения для 80° южной широты (в градусах Цельсия по отношению к средней температуре ХХ века). c — среднегодовая температура, полученная по керну WDC ранее (K. M. Cuffey et al., 2016. Deglacial temperature history of West Antarctica). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

На графиках сезонных амплитуд видно, что летние температуры подвержены значительно большим изменениям, чем зимние, и именно они определяют цикличность среднегодовых колебаний. Чтобы понять причину этого, авторы сравнили их с общими трендами изменения продолжительности сезонов и летней инсоляции в регионе (рис. 5), полученными из климатической модели Хайберса (см. Peter Huybers), основанной на гипотезе циклов Миланковича (подробнее см. статьи Циклы Миланковича и Удлинение ледниковых циклов в плейстоцене может быть связано с ослаблением циркуляции океанических вод, «Элементы», 22.03.2019).

Рис. 5. Изменение инсоляции на уровне 80° южной широты в течение голоцена (по данным P. Huybers, 2011. Combined obliquity and precession pacing of late Pleistocene deglaciations): a — инсоляция (в Вт/кв. м) для декабря, января и среднее между ними; b — среднегодовая инсоляция (черная линия, в Вт/кв. м), летняя интегральная инсоляция выше порогового значения 250 Вт/кв. м (красная сплошная линия, в ГДж/кв. м) и годовая интегральная инсоляция (красная пунктирная линия, в ГДж/кв. м); c — максимальная интенсивность летней инсоляции (черная линия, в Вт/кв. м) и продолжительность лета в днях (красная сплошная линия — по пороговому значению 250 Вт/кв. м, красная пунктирная линия — по пороговому значению 275 Вт/кв. м); d — графики максимальной инсоляции (в Вт/кв. м) в зависимости от широты южного полушария (правая шкала). Место взятия керна WDC отмечено темно-синей линией; e — амплитуды расчетной температуры для 80° южной широты: красным показана максимальная летняя; черным — среднегодовая; синим — минимальная зимняя. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Основной вывод авторов статьи — главный фактор, определяющий начало и окончание ледниковых периодов, темпы таяния полярных льдов и уровень Мирового океана, это не среднегодовые температуры на планете (во многом контролируемые содержанием парниковых газов в атмосфере), а интегральная инсоляция (продолжительность летнего сезона и количество поступающей за это время солнечной энергии).

Исследователям также удалось доказать, что климатический оптимум голоцена (7–3 тысяч лет назад), когда средняя температура на планете была на 1–3 градуса выше, чем сейчас, связан прежде всего с увеличением летних температур. Зимний сезон при этом был не теплее обычного. Летняя изменчивость также ответственна за общее похолодание, наблюдаемое последние 2 тысячи лет. Полученные результаты полностью согласуются с гипотезой Милутина Миланковича, который считал главными драйверами климатических изменений вариации орбитальных параметров Земли.

Интересно, что в данных WDC никак не проявился климатический оптимум раннего голоцена, хорошо фиксируемый по ледяным кернам Гренландии и геологическим наблюдениям в Европе и Северной Америке. Возможно, считают авторы, это связано с тем, что в то время максимум летней инсоляции приходился на Северное полушарие.

В дальнейшем авторы планируют провести аналогичные исследования ледовых кернов, полученных в районе Южного полюса и в Гренландии, чтобы лучше понять закономерности изменения климата за последние 11 000 лет на планете в целом.

Источник: Tyler R. Jones, Kurt M. Cuffey, William H. G. Roberts, Bradley R. Markle, Eric J. Steig, C. Max Stevens, Paul J. Valdes, T. J. Fudge, Michael Sigl, Abigail G. Hughes, Valerie Morris, Bruce H. Vaughn, Joshua Garland, Bo M. Vinther, Kevin S. Rozmiarek, Chloe A. Brashear, James W. C. White. Seasonal temperatures in West Antarctica during the Holocene // Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05411-8.

Владислав Стрекопытов