Текст книги "Что случилось с климатом"

Некоторые ядра атомов с течением времени самопроизвольно распадаются, превращаясь в другие, более устойчивые. Этот процесс называется радиоактивностью, или радиоактивным распадом. При радиоактивном распаде выделяется энергия в форме электромагнитного излучения и/или кинетической энергии испущенных при распаде заряженных частиц. Например, ядро углерода-14 превращается в ядро азота-14 с испусканием электрона (бета-частицы). Уран-238 превращается в торий-234 с испусканием ядра гелия (альфа-частицы). Скорость радиоактивного распада для каждого типа радиоактивных ядер (или, как говорят физики, для каждого радионуклида) постоянна. Мерой ее служит период полураспада – время, за которое распадается половина имеющихся в наличии ядер. Так, в приведенном примере период полураспада урана-238 составляет 4,468 млрд лет, а углерода-14 – 5730 лет. Скорость радиоактивного распада не зависит ни от температуры, ни от давления, ни от времени, ни от каких-либо других факторов. Из постоянства периода полураспада следует, что, в принципе, каждый радионуклид может быть использован как хронометр для определения возраста тех или иных объектов. По скорости радиоактивного распада урана был определен возраст Земли (Patterson, 1956).

Рис. 2.22. Распад радиоуглерода. Начальная активность соответствует 1 г «живого» углерода. По радиоактивности ¹⁴C, рассчитанной на 1 г углерода, можно определить возраст объекта

Еще в 1939 г. профессор Нью-Йоркского университета Серж Корфф обнаружил, что космические лучи при взаимодействии с атмосферой образуют нейтроны. Он же первым заинтересовался дальнейшей судьбой этих нейтронов и предположил, что они должны взаимодействовать с ядрами азота – основного компонента атмосферы, давая радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C. Этот процесс можно описать ядерной реакцией:

¹⁴N + n → ¹⁴C + p,

Здесь n обозначает нейтрон, p – протон. В сокращенном виде[30]30
  Сокращенная запись ядерных реакций общепринята в ядерной физике. Перед скобкой записывают ядро-мишень, после скобки – ядро, образовавшееся в результате реакции. В скобках до запятой указывают налетающую частицу, после запятой – вылетающие в процессе реакции.


[Закрыть] реакцию записывают так: ¹⁴N(n,p)¹⁴C.

Период полураспада ¹⁴C составляет 5730 лет. Этого времени более чем достаточно, чтобы радиоактивный углерод смешался с обычным нерадиоактивным в атмосфере, затем усвоился растениями суши и биомассой океана. Таким образом, происходит усреднение концентрации радиоактивного углерода в биосфере. В одном грамме углерода, выделенного из живого вещества, в минуту происходят в среднем 14 событий распада ядер радиоактивного углерода. Но когда организм умирает, он выпадает из обмена углерода. Запас радиоуглерода больше не пополняется из атмосферы. А значит, включаются «радиоактивные часы». И через 5730 лет активность 1 г углерода снизится до 7 распадов в минуту (рис. 2.22). Естественным ограничением метода является предельный возраст ~50 тыс. лет. В более старых объектах содержание радиоактивного углерода становится настолько низким, что его практически невозможно измерить.

Уиллард Либби теоретически рассчитал содержание радиоуглерода в атмосфере. Имея эту оценку, он разработал высокочувствительное оборудование для измерения радиоактивности. Радиоуглеродный метод предназначался в основном для датирования археологических объектов – древесины, ткани, останков живых организмов. Но вскоре он был взят на вооружение геологами, поскольку оказался особенно удобен для датирования природных изменений в голоцене и в период последнего оледенения (Currie, 2003).

Либби предположил, что соотношение радиоактивного и обычного углерода в атмосфере не менялось в течение десятков тысяч лет. Позже выяснилось, что это не так. Скорость образования ¹⁴C зависит от активности Солнца и напряженности магнитного поля Земли (подробнее см. главу 4), а обе эти величины непостоянны. Кроме того, отношение ¹⁴C/¹²C зависит от изменений в самом углеродном цикле, в первую очередь от перераспределения углерода между океаном, биомассой суши и атмосферой. Эти изменения могли быть весьма существенными за последние десятки тысяч лет, когда условия менялись от оледенения к межледниковью. Хотя Либби исходил из неточных предпосылок, радиоуглеродный метод оказался чрезвычайно полезным. Со временем удалось построить надежные калибровочные шкалы, чтобы учесть изменения отношения ¹⁴C/¹²C в прошлом. Определив содержание радиоуглерода в объектах известного возраста, можно построить калибровочную кривую (рис. 2.23), позволяющую пересчитывать радиоуглеродный возраст на календарный. Так можно исключить влияние короткопериодических колебаний солнечной активности и относительно медленных изменений магнитного поля Земли. Калибровочная шкала, охватывающая примерно 14 000 лет, построена по годичным кольцам деревьев, возраст которых можно определить методом дендрохронологии с точностью до года.

Калибровки, построенные по карбонатным скелетам кораллов, сталагмитам, озерным и морским осадкам с выраженными годичными слоями, охватывают примерно 50 000 лет (Fairbanks et al., 2005). Для карбонатных образований (сталагмитов, кораллов и др.) существует весьма надежный уран-ториевый метод датировки, по которому можно определять их возраст с высокой точностью. Тем не менее калибровки по этим объектам менее надежны, чем дендрохронологические (Broecker, 2014).

Рис. 2.23. Калибровочная кривая для пересчета радиоуглеродного возраста в календарный (Reimer et al., 2013)

Радиоуглеродный метод на сегодня – один из наиболее надежных методов геохронологии. Но, как у каждого метода, у него есть свои ограничения. Во-первых, изгибы калибровочной кривой приводят иногда к неоднозначности датировок. Еще одна проблема состоит в том, что некоторые объекты и после смерти продолжают участвовать в обмене углерода. Например, происходит частичная перекристаллизация карбонатов раковин и кораллов. Частично замещается и неорганический углерод костей. В таких случаях, если возможно, датируют выделенные из образца органические соединения, например определенные типы белков или аминокислот. Случающиеся порой казусы с датировками чаще всего связаны с загрязнением образца современным углеродом. Бывает, что образец обогащается древним углеродом, не содержащим ¹⁴C. Это происходит в тех случаях, когда усваиваются растворенные карбонаты древних пород (Bradley, 2015).

В радиоуглеродном методе надо учитывать так называемый резервуарный эффект, который проявляется при датировке морских организмов, получающих углерод не напрямую из атмосферы, а из воды с определенной глубины. Даже в поверхностных водах углерод не находится в изотопном равновесии с атмосферой, поскольку из-за процессов перемешивания вод часть современного, богатого ¹⁴C, углерода уходит в толщу, а древний углерод, напротив, поступает на поверхность. В результате углерод поверхностных вод в низких широтах «выглядит» в среднем на 400 лет старше. Это так называемый кажущийся возраст, или возраст резервуара. Для глубоководных организмов резервуарный эффект еще сильнее. Цикл углерода, как уже упоминалось, существенно менялся в течение десятков тысяч лет, с ним менялась и величина резервуарных эффектов.

Вода дороже золота, малая капля воды высекает из песка зеленую искру – былинку. Если где-нибудь в Сахаре прольется дождь, вся она приходит в движение. Племена переселяются за триста километров – туда, где теперь вырастет трава…[31]31
  Перевод Н. Галь.


[Закрыть]

Антуан де Сент-Экзюпери. Планета людей

Эту книгу мы начали с рассказа о необычных рисунках, найденных экспедицией Барта в Сахаре. Пришло время разобраться, почему самая большая пустыня периодически превращалась в саванну с многочисленными озерами. Венгерский путешественник Ласло Алмаши назвал эти периоды «зеленой Сахарой». Периодические изменения влажности связаны с влиянием муссона, который начинал работать сильнее и проникал дальше на север.

Муссон по своему происхождению напоминает морской бриз. Его движущей силой является контраст температуры между сушей и океаном. Но в отличие от бриза муссон действует в гораздо большем масштабе, и не с суточной, а с сезонной периодичностью. Суша нагревается быстрее, чем океан, и быстрее отдает тепло. Летом над сильно прогретой сушей формируется зона пониженного давления, и в нее стремится влажный воздух с прохладного океана. В Западную Африку муссон приносит влагу из тропической Атлантики, в Восточную – с Индийского океана. Зимой, напротив, континент остывает, океан же еще остается относительно теплым, и сезонные ветра дуют с суши. В Северном полушарии муссоны сильнее, чем в Южном, поскольку площадь суши в тропиках в Северном полушарии больше.

Сила муссона определяется интенсивностью солнечного излучения в летний период. Поэтому не удивительно, что она будет меняться в такт орбитальным факторам. Мы помним, что долговременные изменения сезонной инсоляции определяются прецессией равноденствий. Прецессия земной оси приводит к тому, что сезонные изменения в каждом из полушарий становятся то более, то менее выраженными. Влияние прецессии на климат проявляется сильнее всего, когда эксцентриситет орбиты наибольший. Чем жарче лето в Северной Африке и Южной Азии, тем сильнее работает летний муссон.

Связь муссона с прецессией равноденствий подтверждается многочисленными фактами, в частности составом донных отложений Средиземного моря. Средиземное море – уникальный водоем, имеющий затрудненный водообмен с океаном через неглубокий и узкий Гибралтарский пролив. Оно представляет собой своего рода Мировой океан в миниатюре, и в нем устанавливаются процессы термохалинной циркуляции, напоминающие процесс в океане в целом (Robinson et al., 2001). Из-за географических особенностей испарение в Средиземном море превышает речной сток, поэтому поверхностные воды становятся более солеными и тяжелыми. В зимнее время, при вторжении холодных воздушных масс с севера, воды Средиземного моря активно отдают тепло в атмосферу и охлаждаются. Поверхностные воды опускаются, доставляя кислород на глубину. Этот процесс приводит к насыщению водной толщи кислородом. Но при усилении муссона в Восточной Африке Нил разливался, и на поверхности моря формировался слой пресной воды. Она, естественно, легче морской и поэтому препятствовала перемешиванию поверхностного слоя и поступлению кислорода в водную толщу. Однако в поверхностных водах жизнь развивалась активно, и продукты жизнедеятельности и останки организмов опускались вниз. Но из-за нехватки кислорода они не окислялись, и на дне формировался слой сапропелей – донных отложений, богатых неокисленным органическим материалом. Эти слои стали важнейшим свидетельством влажных периодов в тропической Африке (Rossignol-Strick, 1985). Возраст слоев сапропелей соответствует максимумам летней инсоляции в тропических широтах Северного полушария, когда муссон был наиболее сильным. За последние 8 млн лет отложилось около 230 слоев сапропелей (Larrasoaña et al., 2013). Они объединяются в группы по 4–5 слоев, поскольку влияние прецессии модулируется более долгими циклами эксцентриситета. Во время влажных периодов количество осадков постепенно росло в течение 2–3 тыс. лет, затем в течение еще 4–8 тыс. лет держалось на максимальном уровне. Потом начинался спад, и еще в течение 2–3 тыс. лет Сахара возвращалась в прежнее состояние. Самый молодой слой сапропелей имеет возраст 10–8 тыс. лет, то есть между максимумом июньской инсоляции и отложением сапропелей происходит задержка примерно в 2 тыс. лет.

Рис. 2.24. Июньская инсоляция на широте 30° с. ш. и изотопный состав водорода в растительном воске в донных отложениях Аденского залива за последние 200 тыс. лет. Колебания изотопного состава соответствуют изменениям влажности, связанным с силой муссона. Она, в свою очередь, определяется прецессией равноденствий (Tierney et al., 2017)

Кроме сапропелей, есть и другие источники информации о гидрологическом режиме Сахары. Например, изотопный состав водорода в растительном воске (δD) определяется водой, которую растения используют для синтеза липидов. В сухие периоды вода становится более тяжелой, во влажные – более легкой. Растительный воск хорошо сохраняется в донных отложениях, куда поступает в основном с аэрозолями. Исследования, проведенные в Аденском заливе, показали, что влажность климата Африканского Рога в течение последних 200 тыс. лет устойчиво связана с летней инсоляцией в тропиках (Tierney et al., 2017) (рис. 2.24).

Еще одно доказательство колебаний влажности Сахары – слои, богатые аэрозольным материалом, в донных отложениях к западу от Африки. Они соответствуют сухим периодам, когда ветра выносили пыль из Сахары в океан (Williams et al., 2016).

Анализ соотношения изотопов углерода ¹³C/¹²C в органических молекулах, входящих в состав растительного воска, позволяет определить, каким было в прошлом соотношение C₃– и C₄-растений. К C₃-растениям относятся почти все деревья, кустарники и многие травы. C₄-растения, которые преобладают в саванне, лучше приспособлены к условиям сухого и жаркого климата. В Африке соотношение C₃– и C₄-растений определяется влажностью. Анализ донных отложений, отобранных к западу от побережья Африки (09°10́ с. ш., 17°40́ з. д.) на глубине 3057 м, показал, что было три влажных периода за последние ~190 тыс. лет. Помимо раннего и среднего голоцена (11–5 тыс. л. н.), C₃-растения преобладали также в период 120–110 тыс. лет назад и 50–45 тыс. лет назад (Castaneda et al., 2009). Два последних интервала хорошо соотносятся с периодами расселения людей из Африки.

Во время последнего влажного периода (11–5 тыс. л. н.) граница пустыни и саванны смещалась примерно на 5–10° к северу (на 500–1000 км). А 128–122 тыс. лет назад Сахара, по-видимому, полностью превращалась в саванну. Эти данные подтверждаются, в частности, останками тропических растений и субтропических позвоночных вплоть до 26° с. ш. (Larrasoaña et al., 2013).

Периоды «зеленой Сахары» позволили людям выйти за пределы Африки. Первые свидетельства появления Homo sapiens за границами этого континента обнаружены в Леванте и Аравии; они имеют возраст 120–90 тыс. лет, то есть соответствуют влажному периоду. Основная волна расселения современных людей из Африки, судя по анализу генетической информации, имела место 65–55 тыс. лет назад. Эта оценка соответствует одному из максимумов инсоляции и близка по времени к влажному периоду в Африке (см. рис. 2.24) (Tierney et al., 2017).

Изменения природной среды в Сахаре влияли на расселение людей и в голоцене. Около 11 тыс. лет назад в Северо-Восточной Африке была заселена лишь долина Нила. С наступлением влажного периода в раннем голоцене (10,5–9 тыс. л. н.) люди обжили Восточную Сахару. Именно к этому времени относятся наскальные рисунки, найденные Бартом. Однако примерно 7 тыс. лет назад климат начал становиться более сухим, обитатели пустыни оказались оттеснены на юг Сахары, куда еще доставал муссон. 5,5 тыс. лет назад территория Египта окончательно превратилась в пустыню за исключением долины Нила. С этого времени берет начало древнеегипетская цивилизация (Kuper, Kropelin, 2006).

Сахара не единственный регион, в котором проявляется влияние прецессии на интенсивность муссона. Наиболее ярким примером могут служить сталагмиты из пещер Китая (Yuan, 2004) и Бразилии (Cruz et al., 2005). Соотношение изотопов кислорода в карбонате кальция, из которого сформированы сталагмиты, определяется составом дождевой воды. А он, в свою очередь, зависит от интенсивности муссона (подробнее об этом см. главу 4). Изотопный состав кислорода меняется с периодом около 22 тыс. лет, соответствующим прецессии равноденствий, причем в Северном и в Южном полушариях эти изменения происходят в противофазе (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Изотопный состав кислорода в сталагмитах пещер Китая и Бразилии свидетельствует об интенсивности муссона. Видно, что муссон следует периодичности прецессии равноденствий (22 тыс. лет), причем меняется в противофазе в Северном и Южном полушариях. Данные взяты из (Yuan, 2004); (Cruz et al., 2005)

Возникает вопрос: откуда мы знаем о циркуляции океана в прошлом? Атлантические и антарктические водные массы различаются по многим геохимическим параметрам; эти различия проявляются и в донных отложениях. В этом разделе мы рассмотрим один из индикаторов палеоциркуляции – соотношение радиоактивных продуктов распада урана. В морской воде содержится довольно много урана. Как и другие химические элементы, он поступает в морскую воду с речным стоком. Уран существует в виде трех изотопов ²³⁸U, ²³⁴U и ²³⁵U. Их соотношение в морской воде практически постоянно, а общее количество определяется соленостью. Первые два изотопа связаны генетически, то есть ²³⁴U образуется при радиоактивном распаде ²³⁸U. Уран-235 (²³⁵U) с ними не связан, он принадлежит к другому радиоактивному ряду. При радиоактивном распаде ²³⁴U и ²³⁵U получаются радиоактивные изотопы тория (²³⁰Th) и протактиния (²³¹Pa) соответственно. И торий, и протактиний по своим химическим свойствам сильно отличаются от их предшественника – урана. Уран хорошо растворим в морской воде и образует устойчивые химические формы, связываясь с карбонатами. Торий, напротив, практически нерастворим, легко связывается с любой взвесью и оседает на дно. Протактиний также связывается со взвесью подобно торию и выводится из водной толщи, хотя и не так быстро. И ²³⁰Th, и ²³¹Pa образуются в морской воде с постоянной скоростью, поскольку их образование определяется содержанием изотопов урана, которое практически постоянно и привязано к солености воды. Время пребывания ²³⁰Th в открытой части океана составляет около 30 лет, ²³¹Pa – около 200, то есть можно считать, что они практически сразу удаляются из водной толщи. Если бы условия были стационарными, то отношение радионуклидов ²³¹Pa/²³⁰Th в отложениях определялось лишь скоростями их образования и составляло бы 0,093 (Francois, 2007). Однако если водные массы движутся латерально (в боковом направлении), то происходит разделение тория и протактиния из-за различий во времени их пребывания. Менее подвижный торий оседает в месте своего образования, протактиний же может уноситься за пределы бассейна. Когда океанический конвейер работал интенсивно, происходил перенос протактиния из Атлантики и преимущественный его захват в Южном океане. Это значит, что соотношение ²³¹Pa/²³⁰Th в осадках Атлантики уменьшалось, тогда как в Южном океане росло (Francois, 2007) (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Работа океанического конвейера и расположение точки ODP 1063 в тропической Северной Атлантике (Lynch-Stieglitz, 2017).

NADW (North Atlantic Deep Water) – североатлантические глубинные воды;

AABW (Antarctic Bottom Water) – антарктические придонные воды;

ODP (Ocean Drilling Program) – программа океанического бурения

В работе (McManus et al., 2004) было показано, как менялось отношение ²³¹Pa/²³⁰Th в донных осадках в Северной Атлантике в течение последних 20 тыс. лет. Датировка осадков была сделана по радиоактивному углероду.

Современное отношение ²³¹Pa/²³⁰Th, определенное в поверхностном слое осадка, составляет 0,055 ± 0,006 и в течение последних 10 тыс. лет существенно не изменялось. Максимуму последнего оледенения соответствует несколько большее значение (0,068 ± 0,010) – это означает, что циркуляция замедлилась примерно на 30 %. Около 17,5 тыс. лет, то есть во время события Хайнриха H1, отношение ²³¹Pa/²³⁰Th сильно выросло, вплоть до величины 0,093, соответствующей стационарному образованию тория и протактиния в водной толще. Выходит, что примерно 2 тыс. лет океанический конвейер простаивал (рис. 2.27). Во время позднего дриаса работа конвейера нарушалась лишь частично и относительно ненадолго.

Рис. 2.27. Распределение отношения ²³¹Pa/²³⁰Th в датированной колонке донных отложений из субтропической Северной Атлантики (McManus et al., 2004) и реконструкция палеотемпературы в Гренландии (Richard, 2000). Видно, что отношение ²³¹Pa/²³⁰Th достигает стационарной величины 0,093 во время события Хайнриха H1. Это означает остановку меридиональной атлантической циркуляции

Впоследствии режим циркуляции был реконструирован на протяжении 140 тыс. лет (Bohm et al., 2015). Оказалось, что конвейер останавливался только во время тех событий Хайнриха, которые были близки к максимумам оледенения, то есть при накоплении больших объемов льда (H1, H2, H11). Во время событий H3–H10, как и во время осцилляций Дансгора – Эшгера (DO), он ослабевал, но продолжал работать. Таким образом, работа океанического конвейера была в целом довольно стабильной в течение большей части последнего оледенения. Из этого авторы делают вывод, что антропогенное потепление, скорее всего, неспособно остановить меридиональную атлантическую циркуляцию. Голливудский сюжет, показанный в фильме «Послезавтра», вряд ли станет реальностью.