Голубой лед Антарктиды раскрывает данные о климате Земли за 2,7 миллиона лет
Ледяные керны — столбики льда, извлеченные из скважин при бурении ледников, — служат первичными источниками бесценной информации о климате Земли в прошлом. Наиболее представительная коллекция таких кернов была собрана во время реализации Европейского проекта ледового бурения в Антарктиде в 1996–2005 годах. Анализ пузырьков воздуха, запечатанных в толще антарктического льда, позволил тогда восстановить подробную динамику изменений состава атмосферы и температуры за последние 800 тысяч лет. Однако в Антарктиде есть льды и значительно более древнего возраста. Хотя по ним невозможно воссоздать непрерывную картину климатических изменений, потому что эти льды периодически таяли, отдельные данные для общего представления получить все же можно. Недавно были опубликованы результаты исследований воздушных включений в льдах возрастом до 2,7 млн лет, позволившие частично продлить хронологию колебания уровня парниковых газов (метана и углекислого газа) в прошлое.
Ледниковый щит Антарктиды начал формироваться 14 млн лет назад. С тех пор ледниковый покров южного континента периодически таял и формировался снова. Для ученых, изучающих древний климат Земли, основной интерес представляют зоны, где можно проследить непрерывный разрез так называемого атмосферного льда — льда, образовавшегося из атмосферных осадков, которые выпадают в течение всего года (учитывая температуры на ледяном континенте) в виде снега. Выпавший снег уплотняется и превращается в лед. При этом воздух, заполняющий пространство между снежинками, запечатывается в виде пузырьков в толще льда. Год за годом, тысячелетие за тысячелетием слои снега и образующегося из него льда накапливаются. Соответственно, на поверхности ледника, как правило, мы видим современный лед, а чем глубже — тем старше ледяные слои.
Скорость прироста льда на разных участках разная, поэтому определить по мощности ледникового покрова возраст льда невозможно. Возраст слоев в непрерывных последовательностях ледниковых наслоений чаще всего определяют по той пыли, которая оседала на поверхность ледника и захоранивалась под новыми слоями снега.
Главное для ученых — убедиться, что лед никогда не таял, и пузырьки воздуха в нем остались нетронутыми. Поэтому самыми представительными с точки зрения палеоклиматических исследований являются непрерывные многолетние толщи льда из зон постоянного положительного баланса масс ледников Антарктиды, в которых скорость осадконакопления превышает скорость таяния или сдува снега с поверхности ледника.
Именно в таких местах располагались две скважины проекта EPICA (одна — на станции Конкордия на Куполе «С» (см. Dome C) глубиной 3270,2 м, другая — на станции Конен глубиной 2774,15 м), по ледяным кернам которых была построена самая длинная на сегодняшний день непрерывная хроника изменения окружающей среды, охватывающая последние 800 тысяч лет (см. новости Климат Антарктиды в течение последних 800 тысяч лет определялся изменениями орбиты Земли. «Элементы», 17.08.2007 и Антарктический лед поведал о содержании метана и CO2 в атмосфере Земли за последние 800 тысяч лет. «Элементы», 22.05.2008).
Ее данные полностью совпали с результатами, полученными ранее по кернам скважины, пробуренной на российской антарктической станции Восток. Поднятый там на поверхность ледяной керн, имея общую протяженность 3623 м, охватывал толщу льда, сформировавшуюся за последние 420 тысяч лет (см. J. R. Petit et al., 1999. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica).
Но есть в Антарктиде и зоны отрицательного баланса масс, где снег не накапливается по двум причинам: он интенсивно тает летом или сдувается приземными катабатическими ветрами. В итоге в этих зонах, которые получили название зон голубого льда (см. Blue-ice area), со временем на поверхность выходят все более древние слои.
По голубому льду невозможно восстановить непрерывную ледовую летопись и к тому же возникает вопрос датировки образцов такого льда и сохранности в нем газовых пузырьков. Однако ученые считают, что с определенными оговорками голубой лед можно использовать для палеоклиматических исследований (A. Sinisalo, J. C. Moore, 2010. Antarctic blue ice areas — towards extracting palaeoclimate information).
Самые древние образцы голубого льда возрастом 2,7 млн лет были получены американскими учеными во главе с Джоном Хиггинсом (John Higgins) из Принстонского университета в 2016 году (см. Рекордно древний лед, «Элементы», 21.08.2017). Для этого исследователям даже не пришлось бурить многокилометровые скважины. Главным было правильно выбрать место, где на поверхность выходят древние слои льда (рис. 2). На участке Аллан-Хиллс (Allan Hills) в 210 километрах от американской антарктической станции Мак-Мердо были пробурены две скважины глубиной 147 м (скважина ALHIC1503) и 191 м (скважина ALHIC1502).
Рис. 2. Голубым показаны участки, где на глубине может сохраниться нетронутый атмосферный лед. Отмечен купол «С» (Dome С), где была получена непрерывная колонка ледяного керна, охватывающая последние 800 тыс. лет. Синим обозначены зоны голубого льда. Отмечен участок Аллан-Хиллс (Allan Hills). Изображение из статьи P. Voosen, 2017. Record-shattering 2.7-million-year-old ice core reveals start of the ice ages
Интервал геологического времени между 1,0 и 2,0 млн лет — самый интересный для палеоклиматологов. Дело в том, что примерно 1,24 млн лет назад произошла так называемая среднеплейстоценовая климатическая революция: длина ледниковых циклов увеличилась с 41 до 100 тыс. лет, амплитуда температурных колебаний возросла, а климат Земли в целом стал более холодным (подробнее см. новости Удлинение ледниковых циклов в плейстоцене может быть связано с ослаблением циркуляции океанических вод, «Элементы», 22.03.2019 и Темп ледниковых периодов сбился из-за североамериканских ледников, «Элементы», 23.08.2008).
Первые результаты работ американских ученых были доложены на геохимической конференции Goldschmidt 2017. Сейчас же исследователи подготовили подробную статью, которая опубликована в журнале Nature.
Особенность изучения кернов голубого льда заключается в том, что по ним нельзя получить непрерывную картину. Параметры измеряются в отдельно взятых на разных интервалах керна образцах, для каждого из которых определяют возраст. Для датирования образцов ледяного керна из Аллан-Хилс ученые использовали предложенный одним из авторов обсуждаемой статьи Майклом Бендером (Michael L. Bender) метод оценки скорости дегазации 40Ar на основе измерения отношения 40Ar/38Ar в пузырьках воздуха (M. L. Bender et al., 2008. The contemporary degassing rate of 40Ar from the solid Earth). Погрешность метода довольно большая — около 100 тыс. лет, но для выявления общих закономерностей этого достаточно (рис. 3).
Рис. 3. Результаты определения абсолютного возраста образцов льда из скважин ALHIC1502 (синие метки) и ALHIC1503. По вертикали — глубина от поверхности (в метрах), по горизонтали — возраст (в млн лет). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Задачей исследователей было выяснить, насколько отличаются амплитуды изменения основных климатических параметров (температура, содержание СО2 и СН4) в период 2,7–1,24 млн лет по сравнению с последними 800 тыс. лет, для которых построены детальные графики.
Маркером температурных изменений служили изотопные коэффициенты δD и δ18O льда, отражающие отношения соответственно дейтерия (D) к протию (Н) и 18О к 16О в сравнении с аналогичными отношениями в международном стандарте воды VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water). Оба коэффициента традиционно используются для выявления границ климатических циклов, так как они четко коррелируют с температурой. Ранее было установлено, что δD и δ18O для антарктического снега имеют температурную чувствительность соответственно 8‰ и 0,9‰ на 1°C (W. Dansgaard, 1964. Stable isotopes in precipitation).
В целом авторам удалось подтвердить, что и в период 2,7–1,24 млн лет назад наблюдалась довольно четкая связь между содержанием парниковых газов в атмосфере и температурой (рис. 4). На этом постулате основывается большинство современных климатических моделей, и полученное подтверждение очень важно для их верификации.
Рис. 4. Графики изменения климатических параметров. По горизонтали — шкала времени в тыс. лет. Слева — результаты, полученные в проекте EPICA (a-d) и на основе анализа бентосных фораминифер (e)(скомпилированные данные из разных статей). Кружочки справа — результаты обсуждаемого исследования (a-d). Для удобства все пробы были сгруппированы в четыре временных интервала и показаны напротив их средних значений (1,0, 1,5, 2,0 и 2,7 млн лет). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
При этом содержание CO2 в атмосфере для времени старше 800 тыс. лет назад оказалось на удивление низким. В образцах возрастом около 950 тыс. лет оно составило 240–250 ppm, а в образцах возрастом 1,5 млн лет — 220–230 ppm. Это намного ниже и нынешнего уровня (400 ppm), и тех значений, которые геохимики до этого восстанавливали по изотопному составу в морских отложениях. И здесь уже, по мнению авторов, нужно вносить в климатические модели определенные поправки.
Главное, что удалось выявить ученым, это то, что в последние 800 тыс. лет амплитуда колебания уровня CO2 и метана в атмосфере увеличились по сравнению с предыдущим периодом — в основном за счет более низких значений в период минимумов. Максимальные уровни этих газов в период 2,7–1,24 млн лет и в последние 800 тыс. лет примерно равны.
В ближайшие месяцы эта исследовательская группа продолжит работы на участке Аллан-Хиллс и надеется получить образцы еще более древнего льда.
Источник: Yuzhen Yan, Michael L. Bender, Edward J. Brook, Heather M. Clifford, Preston C. Kemeny, Andrei V. Kurbatov, Sean Mackay, Paul A. Mayewski, Jessica Ng, Jeffrey P. Severinghaus, John A. Higgins. Two-million-year-old snapshots of atmospheric gases from Antarctic ice // Nature. 2019. V. 574, P. 663–666. DOI: 10.1038/s41586-019-1692-3.
Рис. 1. Образец льда возрастом два миллиона лет. Фото из популярного синопсиса к обсуждаемой статье