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 -77^оС. 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 -55,5^оС. 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 25^оС, а в центральной Якутии на 15-20^оС 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 - PO₄^3-). 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.

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, причем 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 ученых 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 дает. Так что вопрос о влиянии питания на зависимость изотопного состава крови и костей животных от природных вод остается на сегодняшний день дискуссионным.

Научные данные, полученные итальянскими учеными, 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 ее 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 далекого 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

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, ученые 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 ученые 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.

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 еще на начальной стадии сбора палеонтологических материалов и аналитической обработки данных, но тем не менее анализ первых результатов позволил сделать следующие важные выводы.

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 счет 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.

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 свое излюбленное лакомство - сочную траву.

В ближайших планах российских и итальянских ученых - 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?