Доисторическая климатология (11775-1)

Посмотреть архив целиком

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 - 3Н) и стабильные ( протий - 1Н, дейтерий - 2Н) у водорода и (16О, 17О, 18О) 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 - 16О (99,759%). Затем идет 18О (0,204%) и, наконец, 17О (0,037%). Понятно, что малая распространенность в природе изотопа 17О создает дополнительные трудности при проведении измерений. Поэтому наиболее удобным оказалось соотношение концентраций изотопов кислорода 18О/16O.

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 16О 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 -77оС. 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 -55,5оС. Это означает, что наша планета сейчас находится в "теплом" климатическом периоде, причем, по оценкам ученых, потепление еще будет продолжаться 1-2 тысячи лет, после чего климат снова станет суровее.

Подземные льды

Если на полярных ледниках выпавший снег спрессовывается в лед без искажений первичного изотопного состава ("изотопной метки"), то в тундре - зоне вечной мерзлоты все обстоит иначе. Сильные метели, таяние и повторное замерзание, изотопный обмен с другими породами - все это приводит к тому, что изотопная картина "размывается". Тем не менее и по составу льдов вечной мерзлоты можно составить вполне четкую картину древнего климата. Работы российских ученых показали, что средние значения температур приземного воздуха в холодное время года и относительное содержание изотопных разновидностей воды грунтовых льдов тесно взаимосвязаны. Поэтому изотопный состав льдов вечной мерзлоты тоже с успехом может быть использован для реконструкции палеоклимата, особенно зимнего.

Так, исследования, проведенные автором статьи, показали, что 18-20 тысяч лет назад средние температуры января на севере Якутии были на 25оС, а в центральной Якутии на 15-20оС ниже, чем в наше время.

Почвенные карбонаты

Атомы кислорода входят в состав не только молекул воды, но и других химических веществ, содержащихся в различных породах, например солей углекислоты - карбонатов. Карбонаты в больших количествах присутствуют в почве. В принципе, как показал американский ученый Церлинг, соотношение изотопов кислорода в почвенных карбонатах в значительной мере зависит от изотопного состава метеорных вод, а значит, по изотопам карбонатов можно судить о климатических условиях тех времен, когда образовалась почва. Но такие работы носят пионерский характер, и конкретных результатов пока мало.

Древесные кольца

Общеизвестно, что современные и ископаемые деревья представляют нам уникальную возможность исследования прошлого. Она связана, с одной стороны, с тем, что по количеству и толщине колец можно определить как климатические, так и геохимические условия окружающей среды. С другой стороны, по числу годичных колец прироста удается с высокой степенью точности установить возраст древесины. Ширина же годичных колец напрямую связана с влажностью почвы, а следовательно, с количеством выпавших осадков и с температурой воздуха, а плотность древесины - со средней температурой предыдущего лета. Но, как выяснилось, относительное содержание изотопов кислорода в древесной целлюлозе также может служить мерой влажности и температуры окружающей среды. Однако для каждого конкретного региона требуется проводить специальные исследования, чтобы выявить эту зависимость. Таким образом ископаемая древесина - своего рода палеотермометр и палеогигрометр одновременно. Только вот "калибровка" этого природного универсального прибора зависит от местоположения района земного шара, где росло доисторическое дерево.

Фосфаты костей млекопитающих

Более 25 лет назад итальянский профессор Антонио Лонжинелли предложил свой метод реконструкции климата прошлого: изучение изотопного состава кислорода в ископаемых костях млекопитающих. Главное предположение, на котором был основан метод, заключалось в том, что изотопный состав кислорода в органах и тканях млекопитающих определяется в основном составом потребляемой ими воды. Но атомы кислорода есть не только в молекулах воды, а и во всех других химических веществах, составляющих живой организм, в том числе и в фосфатах (химическая формула фосфат-аниона - PO43-). Поэтому должна быть и количественная взаимосвязь изотопного состава кислорода фосфатов костей и зубов млекопитающих и среднего изотопного состава местных метеорных вод.

Для проверки гипотезы Лонжинелли провел ряд экспериментов на крысах. Их поили водой, в разной степени обогащенной изотопом 18О. Анализ физиологических жидкостей животных показал, что изотопы в организме распределяются равномерно и поэтому между изотопным составом потребляемой воды и соответствующим значением для физиологических жидкостей организма крыс существует прямая зависимость.

Затем исследователь провел анализ физиологических жидкостей ланей, диких и домашних свиней, обитающих в разных районах земного шара. Оказалось, что в пределах одного региона относительное содержание изотопов кислорода в крови этих животных постоянно. Аналогичную закономерность ученые установили и для изотопного состава крови человека вне зависимости от пола и возраста: он зависел исключительно от места проживания людей, то есть от содержания изотопов в поверхностных природных водах этой местности.


Случайные файлы

Файл
102125.rtf
36669.rtf
186411.doc
76905-1.rtf
135818.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.