Текст книги "Что случилось с климатом"

2.6. Колебания тысячелетнего масштаба

Слышать, как рождаются айсберги, как рождаются вот те громадные голубые ледяные горы, которые идут, чтобы убивать и умирать по свинцовым водам и волнам Арктики: это слышать гордо!

Борис Пильняк. Заволочье

В 1960-х годах датчанин Уильям Дансгор получил результаты анализа первого гренландского ледового керна (Dansgaard et al., 1969). Из распределения тяжелого кислорода ¹⁸O следовало, что климат Гренландии во время последнего оледенения был гораздо менее стабильным, чем в голоцене, и более двадцати раз быстро и резко переходил от холодного к более теплому, затем плавно возвращался в прежнее состояние (рис. 2.16). Амплитуда колебаний температуры составляла 8–16 °С, то есть примерно в два раза меньше, чем разница между температурными условиями в настоящее время и в максимум оледенения (см. рис. 2.16).

Рис. 2.16. Реконструкция температуры за последние 50 тыс. лет в Центральной Гренландии, в керне GISP 2 (Alley, 2000). Подписаны: событие 8,2 K (о нем речь пойдет в следующих главах), поздний дриас (YD), пронумерованы теплые фазы осцилляций DO. Перепад температуры между современными условиями в Гренландии и поздним дриасом соответствует примерно 15 °C. Можно отметить следующие особенности: огромный размах осцилляций DO; отсутствие резких колебаний климата во время максимума оледенения; стабильность условий голоцена. Масштаб события 8,2 K на этой иллюстрации несколько сглажен из-за больших промежутков между точками (около 20 лет)

По словам климатолога Уоллеса Броккера, этого парадокса тогда никто не заметил (Broecker, 2010):

«Самое удивительное, что, когда в 1972 году Дансгор впервые представил эти результаты климатологам, собравшимся в Йеле, никто не вскочил и не закричал: “Что за черт? Откуда эти резкие скачки?” Его сообщение встретили с видимой скукой. И я был утомлен этим докладом, как и другие слушатели. Потом я часто задавался вопросом – почему же никто тогда не проявил интереса?»

Результат был действительно крайне неожиданным. Выходит, климатическая система ледникового периода могла существовать в двух различных режимах, и переключение между ними проходило очень быстро – возможно, всего лишь за несколько лет (Rabassa, Ponce, 2016). Эти загадочные колебания назвали осцилляциями Дансгора – Эшгера (DO) в честь их первооткрывателей Уильяма Дансгора и швейцарца Ганса Эшгера. При этом менялся также объем ледяных шапок, но не слишком сильно – уровень моря колебался в пределах 10 м. В холодные периоды также увеличивалось количество пыли в ледниках. Среднее время между событиями составляло 1,5 тыс. лет.

Следующее открытие сделал немецкий морской геолог Хартмут Хайнрих в 1988 г. Он обнаружил в донных отложениях Северной Атлантики, на широте 40–55 градусов, шесть выраженных слоев, содержащих крупный обломочный материал, резко отличающийся по составу от остального осадка. Это были обломки, принесенные айсбергами (рис. 2.17), – значит, несколько раз в течение последнего оледенения случались сильные похолодания, и айсберги, отколовшиеся от северных ледяных шапок, проникали далеко на юг. Эти события называют событиями Хайнриха.

Рис. 2.17. Положение пояса обломочного материала (Rasmussen et al., 2016)

Во время последнего оледенения насчитывается шесть событий Хайнриха – 17, 22, 29, 39, 45 и 61 тыс. лет назад. Они происходили в то время, когда климат в Гренландии становился холодным, сухим и ветреным, то есть во время холодных фаз событий DO. Но событий DO существенно больше, и события Хайнриха соответствуют лишь некоторым из них. Остальным событиям DO также предшествовало образование айсбергов, но они не проникали так далеко на юг и оставили след в виде обломочного материала лишь в донных отложениях Норвежского моря (Elliot et al., 2001). Происхождение айсбергов можно установить по возрасту и минеральному составу обломочного материала. В случае событий Хайнриха фрагменты откалывались от Лаврентийского щита и, прежде чем растаять, проплывали до 3 тыс. км. В других случаях источником айсбергов был Скандинавский ледниковый щит. События Хайнриха и осцилляции DO часто обобщенно называют колебаниями тысячелетнего масштаба. События Хайнриха можно рассматривать как наиболее сильные из таких колебаний.

Проявления тысячелетних колебаний не ограничивались Северной Атлантикой, они затрагивали даже Южное полушарие. Внутритропическая зона конвергенции во время холодных фаз сдвигалась на юг, климат в тропической зоне Северного полушария становился суше и холоднее, а в Австралии и Южной Америке, наоборот, влажнее (Naafs et al., 2013).

В ледяных кернах из Антарктики осцилляции выражены гораздо слабее. Определить точный возраст антарктических льдов непросто. Но, к счастью, ледяные архивы Антарктики удалось синхронизировать с гренландскими благодаря захваченному в пузырьках воздуха метану – очевидно, что газовый состав атмосферы менялся синхронно в обоих полушариях. Оказалось, что в Антарктике теплело, когда в Гренландии холодало, и наоборот (Barbante et al., 2006; Blunier et al., 1998). Это явление получило название биполярных качелей.

Тысячелетние осцилляции по сей день остаются одной из загадок климатологии. Если свести воедино известную нам информацию, выходит, что тысячелетние осцилляции:

– происходят только во время оледенений;

– наступают и заканчиваются резко, имеют большую амплитуду;

– проявляются гораздо сильнее в Северном полушарии;

– связаны с образованием айсбергов;

– противоположны по фазе в Северном и Южном полушарии;

– не имеют выраженной периодичности; не связаны ни с солнечной активностью, ни с циклами Миланковича.

Эти факты говорят о том, что разгадку надо искать на краях ледниковых шапок Северного полушария.

Согласно одной из гипотез, резкие колебания климата связаны с нестабильностью краев ледника, переросшего оптимальный размер. Неустойчивость могла возникать из-за прогиба подстилающих пород или за счет тепла, поступающего из недр Земли. Ледник переставал плотно прилегать к коренным породам, в результате его края периодически обламывались, и от него откалывались айсберги. Оказавшись на 40–55° с. ш. в Атлантике, они таяли, образуя пояс обломочного материала в донных отложениях. Поверхностные воды становились менее солеными и переставали опускаться на глубину. Из-за этого глобальный океанический конвейер замедлялся или даже вовсе останавливался (Lynch-Stieglitz, 2017). Кроме того, пресная вода на поверхности океана замерзала, морские льды разрастались, и включалась положительная обратная связь лед – альбедо. В этой теории триггером служат процессы внутри ледяных шапок. Считается, что именно они переключали режим работы океанического конвейера.

Согласно другой версии, предложенной Уоллесом Броккером (Broecker et al., 1990), осцилляции DO связаны с изменениями солености поверхностных вод в Северной Атлантике. Когда конвейер работает более интенсивно, теплые воды поступают в Северную Атлантику и вызывают таяние льдов. Поверхностные воды распресняются, и конвейер замедляется. Следовательно, льды перестают таять, соленость растет, и система возвращается в исходное состояние. Броккер назвал это явление соляным осциллятором. Гипотеза соляного осциллятора позволяет объяснить, почему климат Гренландии и Антарктики менялся в противофазе. Когда перенос теплых вод в Северную Атлантику замедлялся, Южная Атлантика теплела. Океанический конвейер является связующим звеном между полушариями, поэтому изменения в Северной Атлантике эхом отзывались в Антарктиде.

Согласно еще одной гипотезе причины осцилляций DO кроются в атмосфере и связаны с колебаниями ветрового поля. В ледниковые эпохи многокилометровая толща льда, покрывавшая Северную Америку и Скандинавию, меняла траектории струйных течений над Северным полушарием.

Не стоит считать резкие колебания климата (DO и события Хайнриха) давней историей, не имеющей к нам отношения. Эти события происходили во время последнего оледенения, то есть в то самое время, когда Homo sapiens расселялись по планете.

Расселение Homo sapiens совпадает с периодом исчезновения неандертальцев, которые жили на периферии плейстоценового мира. Почему они исчезли, остается загадкой. Возможно, дело в том, что их время пришлось на резкие климатические изменения последней ледниковой эпохи. В Европе они полностью исчезли около 40 тыс. лет назад, что совпадает с событием Хайнриха H4 (Bradtmöller et al., 2012).

Анализ сталагмитов из пещер в Карпатах показал, что периоды 44,3–43,3 тыс. и 40,8–40,2 тыс. лет назад отличались холодным и сухим климатом. Этим же периодам соответствуют стерильные (то есть не содержащие следов жизни человека) слои (Staubwasser et al., 2018).

Основная волна расселения Homo sapiens из Африки согласуется также с теплыми фазами осцилляций DO. Этот период соответствует влажному климату в Северной Африке (55–49 тыс. л. н.). Дальнейшее продвижение в Европу стало возможно после завершения события Хайнриха H5 и наступления теплого промежутка примерно 47 тыс. лет назад (Müller et al., 2011).

Рис. 2.18. Соотношение Ca/Sr в колонке донных отложений IODP U1308, отобранной в Северной Атлантике примерно на 50° с. ш. На нижнем, более детальном графике видны события H1, H2, H4, H5, но нет событий H3 и H6. Возможно, это связано с тем, что во время событий H3 и H6 айсберги происходили не из области Гудзонова пролива, а из Гренландии и европейских ледников (Hodell et al., 2008)

Итак, климат многократно и резко менялся в течение последнего оледенения. Возникает вопрос – а происходило ли что-то подобное в прежние ледниковые эпохи?

В качестве чувствительного индикатора, позволяющего выявить события Хайнриха, можно использовать соотношение Ca/Sr в донных отложениях. Пропорция этих элементов в карбонатных скелетах морских организмов более-менее постоянна. Во время событий Хайнриха доля терригенного материала растет, а биогенного, богатого стронцием, уменьшается. Исследования донных отложений Северной Атлантики показали (рис. 2.18), что события Хайнриха случались и раньше, по крайней мере после среднеплейстоценового перехода, когда климатическая система перешла к 100-тысячелетним колебаниям и значительно вырос размер ледников Северного полушария (Hodell et al., 2008).

2.7. Поздний дриас

Во время последней ледниковой эпохи льды достигли своих максимальных размеров примерно 25–20 тыс. лет назад и затем начали отступать. Переход от ледниковых условий к теплому голоцену происходил неравномерно. Реконструкции палеотемпературы, полученные из ледников Гренландии (см. рис. 2.16), показывают, что примерно 12 900 лет назад, когда льды Северного полушария интенсивно таяли, а климат уже приближался к современному, произошло кратковременное возвращение к ледниковым условиям. Этот холодный период называется поздним дриасом, потому что впервые был выявлен по продвижению из Арктики в Европу светло-желтого холодолюбивого цветка Dryas octopetala. Поздний дриас – самое масштабное из всех резких изменений климата последней ледниковой эпохи, по своим проявлениям во многом сходное с событиями Хайнриха и осцилляциями DO. Он проявлялся наиболее сильно в Северо-Атлантическом регионе – в Европе, Гренландии и на северо-востоке Америки. В Европе температура местами была на 8 °C ниже современной. Однако проявления позднего дриаса, так же как и осцилляций DO и событий Хайнриха, можно проследить по всей планете. Но в отличие от последних похолодание позднего дриаса произошло синхронно в обоих полушариях. Оно наступило быстро и продолжалось около 1200 лет. Его следует рассматривать скорее как аномалию, а не как событие, характерное для окончания каждого ледникового цикла.

Поздний дриас часто связывают с таянием Лаврентийского ледникового щита, покрывавшего почти всю территорию нынешней Канады и север США. Когда ледник стал отступать, талые воды скопились в расположенном южнее ледниковом озере Агассис. Поначалу они стекали в сторону Мексиканского залива по руслу Миссисипи, чему есть доказательства – изотопный состав кислорода в донных отложениях Мексиканского залива отражает поступление «легкой» ледниковой воды. Затем, примерно 13 тыс. лет назад, сигнал резко исчез. Предполагается, что воды озера Агассис с этого момента нашли другой путь и прорвались в Северную Атлантику. Холодные пресные воды скопились на поверхности океана и стали препятствовать формированию глубинных водных масс. Это привело к ослаблению меридиональной атлантической циркуляции – ключевого звена океанического конвейера, выполняющего роль глобальной системы отопления. Косвенным подтверждением этого является небольшое потепление в то время в Антарктиде. Однако донные отложения Северной Атлантики не содержат соответствующих доказательств. Зато совсем недавно появились факты, подтверждающие альтернативную версию событий. Оказалось, что во время позднего дриаса резко увеличился сток талых вод в Арктику, в море Бофорта (Keigwin et al., 2018). Возможно, пресные воды двигались на север вдоль Канадского архипелага, а затем через пролив Фрама в северные моря.

В последние годы все больше фактов свидетельствует о том, что причиной резкого похолодания 12,9 тыс. лет назад стало столкновение с небесным телом. Об импактной теории позднего дриаса будет рассказано в главе 5.

Истории про климат

Датчанин Уильям Дансгор в 1950-х – начале 1960-х годов исследовал изотопный состав атмосферных осадков и фрагментов гренландских айсбергов. Для того чтобы понять, какие факторы влияют на изотопный состав, ему нужно было получить пробы из разных регионов. Такая возможность возникла благодаря всемирной сети наблюдательных станций, созданных Всемирной метеорологической организацией и Международным агентством по атомной энергии, основной задачей которых был контроль за радиоактивным загрязнением окружающей среды в результате испытаний ядерного оружия. Собранные этими станциями пробы стали материалом для исследований Дансгора. Однако многие территории по-прежнему оставались вне доступа (Dansgaard, 2005):

«Несмотря на активную дипломатическую деятельность МАГАТЭ, нам никогда не удавалось вовлечь СССР и его союзников в проект, очевидно, из-за их подозрения в недобрых намерениях, стоящих за ним.

Советы и Китай утверждали, что сами делали эти измерения, но мы никогда не видели никаких данных, и это было плохо, потому что территории СССР, Китая и стран, где они доминировали, покрывали большую часть евразийского континента.

Мне удалось отобрать только один образец из Советского Союза. В 1967 году я возвращался с конференции в Японии. После Бангкока мы приземлились в Ташкенте, Узбекистан. Все пассажиры должны были покинуть самолет во время дозаправки, в дверях самолета у всех отбирали паспорта. Не спрашивайте меня, почему. Трудно представить, что кто-то захотел бы убежать в восточный рай. Может, экипаж боялся, что паспорта отберут в аэропорту?

Когда стюардесса забрала мой паспорт на выходе, меня осенило: Боже мой! Это шанс получить один из образцов воды, о которых я мечтал. Но где найти герметичный контейнер в этой ситуации? Я попросил у стюардессы мартини. „Прямо сейчас?“ – смутилась она. „Да, пожалуйста, прямо сейчас!“ Я получил бутылочку мартини, опорожнил ее на месте и убрал в карман.

В аэровокзале не было крана с водой, даже в туалете. Но в туалете работал слив, и, используя это чудо техники, я заполнил бутылку из-под мартини образцом речной воды, медленно текущей из-за колючей проволоки, окружавшей аэропорт».

Рис. 2.19. Связь изотопного состава снега и средней температуры в Гренландии (Dansgaard, 2005)

Дансгор старался не зря – образец действительно оказался необычным, с очень низким содержанием тяжелой воды, чем напоминал пробы из Арктики. Причина была в том, что большую часть влаги воздух терял, проходя над высокими горными хребтами Азии (Dansgaard, 2005).

Дансгор показал, что изотопный состав кислорода в атмосферных осадках линейно связан со среднегодовой температурой (рис. 2.19). Когда идет дождь, атмосфера обогащается легкой водой, так как тяжелая вода легче конденсируется. По мере охлаждения воздушной массы содержание тяжелой воды в осадках все время уменьшается. На каждый градус температуры δ¹⁸O уменьшается примерно на 0,7 ‰. Дансгор понял, что информация о климате далекого прошлого кроется в толще ледяных шапок Гренландии и Антарктиды, поскольку они представляют собой снег, накопившийся за десятки и сотни тысяч лет. Однако получить образцы из толщи ледника мощностью 2–3 км было крайне сложно.

Со Второй мировой войны Гренландия представляла стратегический интерес для Соединенных Штатов. С началом холодной войны на авиабазе Туле (Северо-Западная Гренландия) были размещены стратегические бомбардировщики, а в 1958 г. в 200 км от базы началось сооружение подледного города Кемп-Сенчури. На глубине 8 м подо льдом располагалось все необходимое для жизнеобеспечения двухсот военнослужащих – магазин, кинотеатр, госпиталь и часовня. Энергией базу обеспечивал ядерный реактор. Кемп-Сенчури сооружался открыто, как база для испытаний техники в полярных условиях. Но об истинных целях проекта не догадывалось даже правительство Дании, формально контролировавшее Гренландию. База должна была стать началом большого проекта американских военных под названием «Ледяной червь» (Ice worm). В толще ледяной шапки Гренландии планировали прорыть 4000 км тоннелей, провести в них железную дорогу и пустить поезда с сотнями ядерных ракет. Так хотели обеспечить скрытность и неуязвимость пусковых установок. Площадь комплекса должна была составить 140 тыс. км² – втрое больше территории Дании. Однако проект пришлось свернуть. Выяснилось, что лед слишком пластичен и текуч, и построить сколь-нибудь долговечные сооружения в нем невозможно.

«Ледяной червь» бесславно провалился, но дал старт новому направлению в науке. В 1964 г. Дансгор посетил Кемп-Сенчури, чтобы отобрать пробы снега. Там он узнал, что американцы бурят ледниковую толщу. На место бурения его не пустили, поскольку работы были секретными (Dansgaard, 2005). К 1966 г. Гренландский ледниковый щит впервые пробурили до коренных пород и получили ледяной керн длиной 1390 м. Дансгор добился разрешения провести анализ керна на стабильные изотопы кислорода. Его гипотеза подтвердилась – лед хранил в себе историю климата Гренландии.

Элементы климатической науки

Всем известно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частиц – электронов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, которое построено из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Число протонов равно числу электронов, поэтому атом в целом электрически нейтрален. Количество протонов является отличительным признаком химического элемента. Так, в ядре атома кислорода 8 протонов, углерода – 6, а серы – 16. Именно это делает кислород кислородом, а серу – серой. А вот количество нейтронов в ядре атомов одного и того же элемента может быть разным. Они различаются массой, но при этом сохраняют химические свойства. Так, атомы водорода могут иметь массу в одну единицу ¹H, в две единицы ²H (дейтерий) и в три ³H (тритий). Атомы одного и того же элемента с разной массой называются изотопами. Это слово происходит от греческого «изос» (одинаковый) и «топос» (место) – имеется в виду, что изотопы одного элемента занимают одну и ту же клетку в таблице Менделеева.

Большинство химических элементов существуют в природе в виде смеси нескольких стабильных изотопов. Наибольшее их число у олова – 10. Обычно принято считать, что изотопы ведут себя в химических реакциях одинаково. Это вполне логично, поскольку в химических связях участвуют электроны, и химические свойства элемента определяются строением электронных оболочек, которое у изотопов одно и то же. Для большинства химических задач это утверждение вполне справедливо. Но в науках о Земле именно тонкие различия в поведении изотопов имеют решающее значение. И теперь автор этой книги учит студентов прямо противоположному: любой физический, химический, биологический процесс неизбежно приводит к фракционированию (изменению исходного соотношения) изотопов. То есть любые процессы для разных изотопов все-таки протекают немного по-разному. Это различие называют изотопным эффектом. Очевидно, изотопный эффект сильнее проявляется для легких элементов, поскольку у них относительная разница в массах изотопов наибольшая[29]29
  Например, атомы обычного водорода ¹H и дейтерия ²H различаются по массе вдвое, а атомы ²³⁵U и ²³⁶U – на 1/235, или 0,4 %. Это означает, что изотопный эффект для водорода выражен гораздо сильнее.


[Закрыть]. Фракционирование изотопов может быть связано и с кинетическими, и с термодинамическими эффектами.

В классической работе Гарольда Юри фракционирование изотопов рассматривается с позиций квантовой механики (Urey, 1947), но мы воспользуемся бытовой аналогией. Представим связь между двумя атомами в виде пружинки. Эта пружинка постоянно колеблется – связь становится то чуть длиннее, то чуть короче. Согласно квантовой теории возможны лишь дискретные колебательные состояния молекулы, причем даже при температуре абсолютного нуля эта пружинка продолжает колебаться. Энергия нулевого колебательного уровня пропорциональна частоте колебаний:

ZPE = hν/2,

где ZPE – энергия нулевого уровня (zero point energy), h – постоянная Планка, ν – частота колебаний.

Рис. 2.20. Энергия связи двухатомной молекулы на примере H₂ и D₂ (D обозначает изотоп водорода дейтерий, или ²H).

Представим себе, что один атом зафиксирован в начале координат, а второй находится на расстоянии r. Наиболее устойчивое состояние молекулы соответствует потенциальной яме – минимуму на кривой. Но атомы все время колеблются относительно равновесного положения. Когда атомы сближаются, они начинают отталкиваться, когда расстояние между ними увеличивается – вновь притягиваются. Это колебательное движение сохраняется даже при абсолютном нуле. Горизонтальной линией показана энергия нулевого колебательного уровня. Разрыв химической связи соответствует удалению атомов на бесконечное расстояние. Энергия химической связи, то есть энергия, необходимая для ее разрыва, показана на рисунке стрелкой. Для обычного водорода энергия связи E_H-H = 431,8 кДж/моль, для тяжелого E_D-D = 441,6 кДж/моль

Чем тяжелее атом в молекуле, тем ниже частота колебаний связи и тем меньше энергия нулевого уровня. Соответственно, чем тяжелее атом, тем труднее разорвать химическую связь (рис. 2.20). Таким образом, более тяжелые изотопы образуют более прочные связи с другими атомами. Поэтому в равновесных химических процессах тяжелый изотоп накапливается в тех соединениях, для которых разница в ZPE для изотопов больше. Это характерно для более прочных связей, особенно двойных. Так, при изотопном обмене кислорода между CO₂ и Н₂O накопление тяжелого кислорода будет происходить в молекуле с более прочной двойной связью, то есть в CO₂.

Фракционирование изотопов наблюдается также при испарении жидкостей и диффузии газов – это обусловлено тем, что более легкие молекулы движутся быстрее, поэтому испаряются в первую очередь.

Для исследования климата прошлого особенно важен изотопный состав элементов, составляющих воду, – водорода и кислорода. Природный водород представлен двумя стабильными изотопами (радиоактивный тритий, присутствующий в сверхмалых количествах, можно не учитывать), кислород – тремя (с массовыми числами 16, 17 и 18).

Изотопный состав какого-либо природного объекта удобно выражать в виде относительного отклонения от стандарта. Оно обозначается греческой буквой δ и измеряется в промилле, например:

В качестве одного из стандартов изотопного состава кислорода и водорода используют стандартную морскую воду (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Изотопные соотношения водорода и кислорода в стандартной морской воде

Ранее мы рассмотрели разделение изотопов в равновесных химических процессах. Но если реакции идут только в одном направлении, разделение все равно происходит. В этом случае причиной служат различия в скорости реакций (кинетическое изотопное фракционирование). Как правило, быстрее рвутся менее прочные связи. А мы уже знаем, что более прочные связи образуют тяжелые изотопы, поэтому продукты реакции обычно обогащены легким изотопом. Это наблюдается во многих биологических процессах – например, при бактериальном восстановлении сульфатов и фотосинтезе.

Существует два наиболее распространенных типа фотосинтеза – C₃ и C₄. Они различаются тем, какие молекулы образуются в результате фотосинтеза – содержащие три или четыре углеродных атома в цепочке. Большинство растений (~90 %) фиксирует углерод по механизму C₃-фотосинтеза. Для таких растений характерны величины δ¹³C от –24 до –36 ‰. На более поздней стадии эволюции возник C₄-фотосинтез, характерный, в частности, для кукурузы, пшена и сахарного тростника. Для C₄-растений фракционирование изотопов существенно меньше (δ¹³C около –12,5 ‰). Фитопланктон утилизирует растворенный в воде неорганический углерод, который примерно на 8,5 ‰ «тяжелее» из-за изотопного фракционирования при растворении CO₂ и при образовании гидрокарбонат-иона. Поэтому фитопланктон занимает промежуточное положение между C₃ и C₄ по изотопному составу углерода (δ¹³C около –22 ‰).

Анализ изотопных отношений углерода и азота широко применяется в археологии и палеоэкологии – в частности, чтобы выяснить, чем питались древние люди (Lee-Thorp, 2008). Изотопный состав углерода в живых организмах определяется первичными продуцентами и незначительно меняется в звеньях пищевой цепочки. Также в пищевых цепях происходит фракционирование изотопов азота. Величина δ¹⁵N в организме растет примерно на 2–6 ‰ на каждое звено пищевой цепи. Продукты морского происхождения, как правило, содержат больше ¹⁵N, поскольку морские пищевые цепочки включают больше звеньев, чем наземные (рис. 2.21) (Schoeninger, DeNiro, 1984).

Анализ костей викингов, живших в Гренландии, показал, что начиная с основания поселений (ок. 1000 г.) до 1450 г., когда они опустели, доля морской пищи в рационе их жителей выросла примерно с 20 до 80 %. Авторы связывают это с ухудшением климата в малый ледниковый период – викинги вынуждены были вместо сельского хозяйства заняться промыслом морских животных (Arneborg et al., 1999).

Рис. 2.21. Фракционирование изотопов углерода и азота в живой природе