кандидат географических наук В. Николаев
Доисторическая климатология

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 несёт в себе уникальную информацию о процессах в атмосфере и сможет рассказать учёным о многом. Надежды быстро оправдались — уже через три года датский профессор Вилли Дансгор нашёл взаимосвязь изотопного состава атмосферных осадков и таких параметров, как широта, долгота, высота над уровнем моря, удалённость от побережья, температура приземного воздуха в месте выпадения осадков.


Десантирование экспедиции Института географии РАН летом 1998 года в районе ледника Фритьоф (о. Шпицберген). Фото В. Захарова.
Время шло, учёные 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 трёх 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 учёные 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.


Полевой сезон 2000 года на Южном побережье пролива Дмитрия Лаптева (Якутия). На снимках — сотрудники Геологического института РАН. Фото П. Никольского.
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 далёкого, 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 всё же в качестве метки учёные выбрали относительное содержание стабильных изотопов кислорода. В природе их существует три. Самый распространённый — 16О (99,759%). Затем идёт 18О (0,204%) и, наконец, 17О (0,037%). Понятно, что малая распространённость в природе изотопа 17О создаёт 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 лёгкие молекулы обладают большей кинетической энергией, чем тяжёлые, и более подвижны. Поэтому, например, при испарении воды с открытой поверхности лёгкие молекулы улетучиваются в первую очередь, то есть пар обогащается изотопом 16О по сравнению с жидкой фазой. В целом при плавлении и испарении лёд оказывается обогащённым тяжёлыми 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


Ледниковые жилы на побережье Восточно-Сибирского моря (мыс Чукочий). Фото Д. Михалева.
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 учёных 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 неоднократно 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 –77°С. Учёные 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 –55,5°С. Это означает, что наша планета сейчас находится в „тёплом“ климатическом периоде, причем, по оценкам учёных, потепление ещё будет продолжаться 1–2 тысячи лет, после чего климат снова станет суровее.

Подземные льды


„Ледяная земля“ — высокоширотная (выше 77° с. ш.) разновидность вечной мерзлоты. Содержание льда в ней достигает 80%. Южный берег пролива Дмитрия Лаптева (Якутия). Фото П. Никольского.
Если на полярных ледниках выпавший снег спрессовывается в лёд без искажений первичного изотопного состава („изотопной метки“), то в тундре — зоне вечной мерзлоты всё обстоит иначе. Сильные метели, таяние и повторное замерзание, изотопный обмен с другими породами — всё это приводит к тому, что изотопная картина „размывается“. Тем не менее и по составу льдов вечной мерзлоты можно составить вполне чёткую картину древнего климата. Работы российских учёных 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, проведённые автором статьи, показали, что 18–20 тысяч лет назад средние температуры января на севере Якутии были на 25°С, а в центральной Якутии на 15–20°С 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 времён, 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 удаётся 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


Бивень мамонта.Плечевая кость мамонта.
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 провёл ряд экспериментов на крысах. Их поили водой, в разной степени обогащённой 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 провёл 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 учёные 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.


Подготовка проб костей мамонтов к изотопному анализу в лаборатории Пармского университета (Италия). Фото автора.
Также Лонжинелли с сотрудниками проанализировали изотопный состав костей и зубов групп людей, проживающих от Сомали до юго-востока Гренландии. Для исследования брали кости как мужчин, так и женщин, причём ни специального отбора, ни отбраковки костей какой-либо части скелета не производилось. Несмотря на очевидные различия в питании и питье и возможности перемещаться на большие расстояния, полученные результаты показали существование количественной взаимосвязи среднего изотопного состава фосфатов костей и местных природных вод. Похожая зависимость обнаружилась и у оленей, лесных мышей и некоторых других животных.

Интересно, что для домашних животных (свиней, коров, собак, кошек, лошадей) таких закономерностей выявлено не было, вероятно, из-за использования искусственных кормов (рыбной и мясокостной муки, сухого молока, синтетических протеинов и др.). Это выглядит странно, поскольку для человека зависимости изотопного состава костей от питания нет.

Данные израильских учёных Б. Луза и И. Колодного подтвердили вывод о незначительной роли питания в формировании изотопного состава кислорода жидкостей тела млекопитающих, который, по их мнению, определяется исключительно вариациями изотопного состава вод. Но тем не менее новозеландский крупный рогатый скот, выращиваемый исключительно на естественных кормах, показывает тесную корреляцию значений относительного содержания изотопов жидкостей тела и фосфатов костей с изотопным составом атмосферных осадков, в то время как европейский (по крайней мере — французский и итальянский), потребляющий искусственные корма, такой зависимости не даёт. Так что вопрос о влиянии питания на зависимость изотопного состава крови и костей животных от природных вод остаётся на сегодняшний день дискуссионным.


Дикие олени недалеко от поселка Баренцбург (о. Шпицберген).
Научные данные, полученные итальянскими учёными, позволили другим исследователям вывести математические зависимости, связывающие относительное содержание изотопов кислорода в фосфатах костей млекопитающих и атмосферных осадков, для человека и различных видов современных животных: дикой свиньи, благородного оленя, лани, лесных мышей, крупного рогатого скота, овцы, для всех пяти существующих ныне видов лошадей, слона, козы, муфлона, косули. Из-за особенностей протекания процессов обмена веществ (в том числе и температуры тела) у разных видов млекопитающих зависимости изотопного состава кислорода фосфатов и природных вод различаются. Но, как выяснилось, у биологически близких видов отличия, как правило, невелики. Это позволяет использовать установленные зависимости для реконструкций климата прошлого по изотопному составу костей уже вымерших видов животных (например, использование „уравнения слонов“ для ископаемых костей мамонтов).

Некоторые животные не подчиняются описанным выше закономерностям совсем. Это те млекопитающие, которые не пьют воду или пьют её очень мало. К таким видам животных относятся кролики, североамериканский белохвостый олень, кенгуру. Они получают влагу из растительности, но, как уже говорилось выше, изотопный состав кислорода листьев часто в большой степени зависит от относительной влажности воздуха, а не от содержания изотопов в природных водах.

Итак, на сегодняшний день имеется возможность оценить величины относительного содержания изотопов кислорода в метеорных водах далёкого прошлого по соответствующим значениям для фосфатов костей древних млекопитающих, живших в ту древнюю эпоху. Конечно, эти значения будут средними, поскольку продолжительность жизни, а следовательно, и время формирования фосфата кальция в костях большинства млекопитающих составляет несколько лет. Но это не так уж плохо, так как при усреднении уменьшается вклад случайных отклонений изотопного состава потребляемой животными воды.

Результаты исследований


Полярные и горные ледники, вечная мерзлота — удобные объекты для реконструкции климата древнейшей эпохи.
В настоящее время российские и итальянские специалисты изучают изотопный состав костей северных оленей. Кости собирали в финской и норвежской Лапландии, на Шпицбергене, на Новой Земле, в Западной Сибири, на Таймыре и ряде островов Северного Ледовитого океана.

Кроме того, учёные исследовали костные остатки крупных млекопитающих (мамонтов, северного и благородного оленей, лошадей и некоторых других видов животных) из пяти регионов России: с мест стоянок древнего человека на Восточно-Европейской равнине и в Минусинской котловине (район города Красноярска), из районов палеонтологических находок на Таймыре, из центральной Якутии, с Арктического побережья и островов Северного Ледовитого океана. Радиоуглеродным методом учёные установили возраст костей — он оказался в пределах от 14 до 25 тысяч лет для проб из Европейской части России, от 13 до 21 тысячи лет — для образцов из Южной Сибири и от 10 до 50 тысяч лет — для таймырских и якутских останков.


Ледник Фритьоф на острове Шпицберген.
Используя известные зависимости, исследователи рассчитали, каков был среднегодовой изотопный состав кислорода атмосферных осадков в те времена, когда жили эти животные. Параллельно проводились исследования изотопного состава якутской вечной мерзлоты — архива древних зимних атмосферных осадков.

В целом изыскания российских и итальянских специалистов находятся ещё на начальной стадии сбора палеонтологических материалов и аналитической обработки данных, но тем не менее анализ первых результатов позволил сделать следующие важные выводы.


Горные ледники на острове Шпицберген. Фото В. Захарова.
В эпоху последнего оледенения похолодание сказалось главным образом на зимних температурах: средняя зимняя температура была ниже современной на 15–25 градусов, летом же было тепло почти так же, как и сейчас. Рост грандиозного европейского ледника, 17–20 тысяч лет назад достигавшего Валдайской возвышенности, происходил преимущественно за счёт влаги, приходившей с Северной Атлантики, а не из тропиков, как в настоящее время. Близость источника влаги, а также западные ветры (с океана) позволили сформироваться ледниковому щиту „всего“ за несколько тысяч лет. Неожиданным оказался вывод, что 17–25 тысяч лет назад, когда в Северном полушарии ледники достигли своего „апогея“ и потихоньку начали подтаивать, на Русской равнине и в Южной Сибири климат оставался довольно стабильным.


Цветение пушицы (слева) и полярных маков (справа) в тундре острова Шпицберген. Фото Н. Осокина.

Дополнительные изотопные исследования углерода (соотношение 13С/12C) и азота (15N/14N) костей древних животных позволили установить, что около 14 тысяч лет назад на Русской равнине и в Южной Сибири в рационе травоядных резко увеличилась доля сочных кормов. Это связано с началом интенсивного таяния многолетней мерзлоты и бурным ростом луговой растительности в котловинах, образовавшихся при вытаивании подземных льдов. В холодные эпохи прошлого мамонты Якутии, жившие в наиболее суровых условиях, потребляли больше растительных белков по сравнению, например, с мамонтами, жившими на Русской равнине. Им приходилось питаться ветками и листьями кустарников и лишайниками, в то время как в других регионах мамонты имели возможность есть своё излюбленное лакомство — сочную траву.


Круизный лайнер в Грён-фиорде (поселок Баренцбург, о. Шпицберген).

В ближайших планах российских и итальянских учёных — изучение изотопного состава шерсти мамонтов. Исследователи надеются, что эти работы позволят реконструировать климатические условия, в которых жили гиганты ледникового периода, а также дадут ответ на вопрос: „домоседы“ ли были мамонты или совершали тысячекилометровые сезонные миграции?

Наука и жизнь

Статьи близкой тематики:
Неужели эпоха Возрождения наступила из-за потепления климата?.  Павел Тарасов.
Большой климатический спор.  Нелла Шполянская.
Место встречи изменить нельзя.  Павел Тарасов.
Какую погоду ждать на земле?  Академик Ю. А. Израэль.
Климат России: потепление продолжается  Г. Груза, Э. Ранькова.
И дым отечества…  Андрей Журавлев.


Узнайте больше о направлениях для путешествий. Большие скидки на отели по 70 000 направлений по всему миру. Читайте отзывы об отелях и находите отели на любой кошелек с гарантией лучшей цены.
2006 Copyright © World-Tours.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Занимательная география туризма. Геозагадки. Сокровища, клады. Достопримечательности. Экзотический туризм, развлечения туристов, экстримальный походный туризм. Тонкости туризма, полезные советы туристу. Бронирование отелей. Товары для туризма и спорта.
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт
Rambler's Top100 Яндекс цитирования