Доісторична кліматологія

В. Миколаїв, кандидат географічних наук

Вступ

В 1961 році Всесвітня метеорологічна організація спільно з Міжнародним агентством з атомної енергії оголосили про початок міжнародної наукової програми вивчення ізотопного складу атмосферних опадів. Передбачалося, що дощова вода несе в собі унікальну інформацію про процесах в атмосфері і зможе розповісти вченим про що. Надії швидко виправдалися - вже через три роки данський професор Віллі Дансгор знайшов взаємозв'язок ізотопного складу атмосферних опадів і таких параметрів, як широта, довгота, висота над рівнем моря, віддаленість від узбережжя, температура приземного повітря в місці випадання опадів.

Час йшов, вчені продовжували дослідження, і до сьогоднішнього дня створений банк даних, де зібрані середньомісячні показники ізотопного складу атмосферних опадів майже з 250 метеорологічних станцій світу, з яких на 150 програма виконувалася не менше трьох років, а на 30 станціях - у протягом 30-40 років. На таких станціях-"довгожителів" тривалість ізотопних досліджень вже порівнянна зі змінами клімату (виявляється, за цей період він змінювався досить істотно: спекотні періоди поступалися місцем холодним, а посушливі - вологим). Тривалі спостереження дали можливість простежити взаємозв'язок довготривалих змін ізотопного складу атмосферних опадів з коливаннями температури і вологості приземного повітря.

На жаль, російські вчені активно підключилися до міжнародної програми ізотопних досліджень недавно, тому перша карта ізотопного складу атмосферних опадів для більшої частини території Росії побачила світ тільки в 1998 році.

Який клімат був сто, тисяча, мільйон років тому? Сьогодні на це питання дослідники цілком можуть дати однозначну відповідь. За допомогою ізотопного методу стало можливим відтворити клімат минулого, і дуже далекого, доісторичного.

У молекулі води можуть бути присутніми різні ізотопи: радіоактивні (тритій - 3Н) і стабільні (проти - 1Н, дейтерій - 2Н) у водню і (16о, 17О, 18О) у кисню. У принципі можна вимірювати співвідношення будь-яких різних ізотопів хімічних елементів, але все ж таки як мітки вчені вибрали відносне утримання стабільних ізотопів кисню. У природі їх існує три. Самий поширений - 16о (99,759%). Потім іде 18О (0,204%) і, нарешті, 17О (0,037%). Зрозуміло, що мала поширеність в природі ізотопу 17О створює додаткові труднощі при проведенні вимірювань. Тому найбільш зручним виявилося співвідношення концентрацій ізотопів кисню 18О/16O.

Як же з цього співвідношенню визначити кліматичні умови? Підхід до цього завдання не складний, і принцип полягає в наступному: різниця між масами ізотопів даного елемента визначає різну рухливість і окремих атомів і молекул, що складаються з різних ізотопів. Виявляється, що більш легкі молекули мають більшу кінетичної енергією, ніж важкі, і більш рухливі. Тому, наприклад, при випаровуванні води з відкритою поверхні легкі молекули випаровуються в першу чергу, тобто пар збагачується ізотопом 16о в порівнянні з рідкою фазою. В цілому при плавленні і випаровуванні лід виявляється збагаченим важкими ізотопами по порівняно з водою, а вода збагачена ними в порівнянні з парою. При цьому співвідношення ізотопів у різних станах води залежить від температури, при якої протікали процеси випаровування/конденсації або плавлення/замерзання. Тому ізотопний складу атмосферних опадів і може служити індикатором як сезонних, так і тривалих коливань температури приповерхневого шару атмосфери.

Полярні льодовики

ізотопна (кліматична) мітка атмосферних опадів може зберігатися сотні тисяч років у льоду полярних льодовиків і у вічній мерзлоті, грунтових карбонатах, фосфатах кісток ссавців, деревних кільцях.

За загальним визнанням, найбільш вражаючі відкриття останніх років в області палеокліматології зроблені при бурінні льодовикових щитів і дослідженнях крижаного керна в центральних районах Гренландії та Антарктиди, де льодова поверхня практично ніколи не тане, а значить, і міститься в ній, про температуру приземного шару атмосфери зберігається на віки. Спільними зусиллями російських, французьких і американських вчених вдалося отримати дані щодо ізотопного складу крижаного керна з надглибокій льодової свердловини (3350 м) на російській антарктичної станції "Восток". Це дозволило в тій чи іншій мірі відтворити клімат нашої планети, правда, "всього лише" за останні 420 тисяч років. Про ці результати неоднократ але писали багато газет і журнали.

Так, за даними професора Казанського університету А. Соломатіна, середня температура в районі станції "Восток" за останні 420 тисяч років коливалася приблизно від -54 до-77оС. Вчені виявили чотири кліматичних циклу "потепління-похолодання" з періодичністю близько 100 тисяч років. Звичайно, середньорічні температури по всій планеті змінювалися в набагато більше вузькому діапазоні, ніж в Антарктиді, але закономірності коливань клімату були ті ж.

Сучасна середньорічна температура в районі надглибокій льодової свердловини складає -55,5 ОС. Це означає, що наша планета зараз знаходиться в "теплом" кліматичному періоді, причому, за оцінками вчених, потепління ще триватиме 1-2 тисячі років, після чого клімат знову стане суворішим.

Підземні льоди

Якщо на полярних льодовиках випав сніг спресовується на лід без спотворень первинного ізотопного складу ( "ізотопної мітки"), то в тундрі - зоні вічної мерзлоти все інакше. Сильні хуртовини, танення і повторне замерзання, ізотопний обмін з іншими породами - все це призводить до того, що ізотопна картина "розмивається". Проте і за складом льодів вічної мерзлоти можна скласти цілком чітку картину стародавнього клімату. Роботи російських вчених показали, що середні значення температур приземного повітря в холодну пору року і відносний вміст ізотопних різновидів води грунтових льодів тісно взаємопов'язані. Тому ізотопний склад льодів вічної мерзлоти теж з успіхом може бути використаний для реконструкції палеоклімата, особливо зимового.

Так, дослідження, проведені автором статті, показали, що 18-20 тисяч років тому середні температури січня на півночі Якутії були на 25оС, а в центральній Якутії на 15-20оС нижче, ніж у наш час.

Грунтові карбонати

Атоми кисню входять до складу не тільки молекул води, а й інших хімічних речовин, що містяться в різних породах, наприклад солей вуглекислоти - карбонатів. Карбонати у великих кількостях присутні в грунті. В принципі, як показав американський вчений Церлінг, співвідношення ізотопів кисню у грунтових карбонатах значною мірою залежить від ізотопного складу метеорних вод, а значить, на ізотопів карбонатів можна судити про кліматичні умови тих часів, коли утворилася грунт. Але такі роботи мають піонерський характер, і конкретних результатів поки мало.

Деревні кільця

Загальновідомо, що сучасні і копалини дерева представляють нам унікальну можливість дослідження минулого. Вона пов'язана, з одного боку, з тим, що за кількістю і товщині кілець можна визначити як кліматичні, так і геохімічні умови навколишнього середовища. З іншого боку, за числом річних кілець приросту вдається з високим ступенем точності встановити вік деревини. Ширина ж річних кілець напряму пов'язана з вологістю грунту, а отже, з кількістю опадів, що випали і з температурою повітря, а щільність деревини - з середньою температурою попереднього літа. Але, як з'ясувалося, відносний вміст ізотопів кисню в деревної целюлозі також може служити мірою вологості та температури навколишнього середовища. Однак для кожного конкретного регіону потрібно проводити спеціальні дослідження, щоб виявити цю залежність. Таким чином викопна деревина - свого роду палеотермометр і палеогігрометр одночасно. Тільки от "калібрування" цього природного універсального приладу залежить від місця розташування району земної кулі, де росло доісторичне дерево.

Фосфати кісток ссавців

Більше 25 років тому італійський професор Антоніо Лонжінеллі запропонував свій метод реконструкції клімату минулого: вивчення ізотопного складу кисню в копалин кістках ссавців. Головне припущення, на якому був заснований метод, полягало в тому, що ізотопний склад кисню в органах і тканинах ссавців визначається в основному складом споживаної ними води. Але атоми кисню є не тільки в молекулах води, а й в усіх інших хімічних речовинах, що становлять живий організм, в тому числі і в фосфатах (хімічна формула фосфат-аніону - PO43-). Тому має бути і кількісна взаємозв'язок ізотопного складу кисню фосфатів кісток і зубів ссавців і середнього ізотопного складу місцевих метеорних вод.

Для перевірки гіпотези Лонжінеллі провів ряд експериментів на щурах. Їх поїли водою, у різного ступеня збагаченої ізотопом 18О. Аналіз фізіологічних рідин тварин показав, що ізотопи в організмі розподіляються рівномірно і тому між ізотопним складом води, що споживається і відповідним значенням для фізіологічних рідин організму щурів існує пряма залежність.

Потім дослідник провів аналіз фізіологічних рідин ланей, диких і домашніх свиней, що мешкають в різних районах земної кулі. Виявилося, що в межах одного регіону відносний вміст ізотопів кисню у крові цих тварин постійно. Аналогічну закономірність вчені встановили і для ізотопного складу крові людини незалежно від статі і віку: він залежав виключно від місця проживання людей, тобто від вмісту ізотопів у поверхневих природних водах цієї місцевості.

Також Лонжінеллі з співробітниками проаналізували ізотопний склад кісток і зубів груп людей, що проживають від Сомалі до південно-сходу Гренландії. Для дослідження брали кістки як чоловіків, так і жінок, причому ні спеціального відбору, ні відбраковування кісток будь-якої частини скелета не проводилося. Незважаючи на очевидні відмінності в харчуванні, і питва та можливості переміщатися на великі відстані, отримані результати показали існування кількісної взаємозв'язку середнього ізотопного складу фосфатів кісток і місцевих природних вод. Схожа залежність виявився і в оленів, лісових мишей і деяких інших тварин.

Цікаво, що для домашніх тварин (свиней, корів, собак, кішок, коней) таких закономірностей виявлено не було, ймовірно, через використання штучних кормів (рибної та м'ясо-кісткового борошна, сухого молока, синтетичних протеїнів та ін.) Це виглядає дивно, оскільки для людини залежно ізотопного складу кісток від харчування немає.

Дані ізраїльських вчених Б. Луза та І. Колодного підтвердили висновок про незначну ролі харчування в формуванні ізотопного складу кисню рідин тіла ссавців, який, на їхню думку, визначається виключно варіаціями ізотопного складу вод. Але тим не менше новозеландський велика рогата худоба, вирощуваний виключно на природних кормах, показує тісну кореляцію значень відносного змісту ізотопів рідин тіла і фосфатів кісток з ізотопним складом атмосферних опадів, в той час як європейський (принаймні - французька та італійська), споживає штучні корми, такої залежності не дає. Так що питання про вплив харчування на залежність ізотопного складу крові і кісток тварин від природних вод залишається на сьогоднішній день дискусійним.

Наукові дані, отримані італійськими вченими, дозволили іншим дослідникам вивести математичні залежності, що зв'язують відносний вміст ізотопів кисню в фосфатах кісток ссавців і атмосферних опадів, для людини і різних видів сучасних тварин: дикої свині, благородного оленя, лані, лісових мишей, великої рогатої худоби, вівці, для всіх п'яти існуючих нині видів коней, слона, кози, муфлона, косулі. Через особливостей протікання процесів обміну речовин (у тому числі і температури тіла) у різних видів ссавців залежно ізотопного складу кисню фосфатів і природних вод розрізняються. Але, як з'ясувалося, у біологічно близьких видів відмінності, як правило, невеликі. Це дозволяє використовувати встановлені залежності для реконструкцій клімату минулого по ізотопного складу кісток вже вимерлих видів тварини (наприклад, використання "рівняння слонів" для копалин кісток мамонтів).

Деякі тварини не підкоряються описаним вище закономірностям зовсім. Це ті ссавці, які не п'ють воду або п'ють її дуже мало. До таких видів тварин належать кролики, північноамериканський білохвостий олень, кенгуру. Вони отримують вологу з рослинності, але, як уже говорилося вище, ізотопний склад кисню листя часто у великій мірі залежить від відносної вологості повітря, а не від вмісту ізотопів у природних водах.

Отже, на сьогоднішній день є можливість оцінити величини відносного змісту ізотопів кисню у метеорних водах далекого минулого з відповідним значенням для фосфатів кісток стародавніх ссавців, що жили в ту давню епоху. Звичайно, ці значення будуть середніми, оскільки тривалість життя, а отже, і час формування фосфату кальцію в кістках більшості ссавців становить кілька років. Але це не так вже й погано, тому що при усередненні зменшується внесок випадкових відхилень ізотопного складу споживаної тваринами води.

Результати досліджень

В даний час російські й італійські фахівці вивчають ізотопний склад кісток північних оленів. Кістки збирали у фінській і норвезькій Лапландії, на Шпіцбергені, на Новій Землі, в Західній Сибіру, на Таймирі і ряді островів Північного Льодовитого океану.

Крім того, вчені досліджували кісткові залишки великих ссавців (мамонтів, північного і благородного оленів, коней і деяких інших видів тварин) з п'яти регіонів Росії: з місць стоянок давньої людини на Східно-Європейській рівнині і в Минусинская улоговині (район міста Красноярська), з районів палеонтологічних знахідок на Таймирі, з центральної Якутії, з Арктичного узбережжя і островів Північного Льодовитого океану. радіовуглецевим методом вчені встановили вік кісток - він опинився в межах від 14 до 25 тисяч років для проб з Європейської частини Росії, від 13 до 21 тисячі років - для зразків з Південного Сибіру і від 10 до 50 тисяч років - для Таймирський і якутських останків.

Використовуючи відомі залежності, дослідники розрахували, який був середньорічний ізотопний склад кисню атмосферних опадів у ті часи, коли жили ці тварини. Паралельно проводилися дослідження ізотопного складу якутської вічної мерзлоти - архіву давніх зимових атмосферних опадів.

Загалом вишукування російських і італійських фахівців знаходяться ще на початковій стадії збору палеонтологічних матеріалів та аналітичної обробки даних, але тим не менше аналіз перших результатів дозволив зробити наступні важливі висновки.

В епоху останнього зледеніння похолодання позначилося головним чином на зимових температурах: середня зимова температура була нижчою сучасної на 15-25 градусів, влітку ж було тепло майже так само, як і зараз. Зростання грандіозного європейського льодовика, 17-20 тисяч років тому досягав Валдайській височині, відбувався переважно за рахунок вологи, що приходив з Північної Атлантики, а не з тропіків, як в даний час. Близькість джерела вологи, а також західні вітри (з океану) дозволили сформуватися льодовикового щита "усього" за кілька тисяч років. Несподіваним виявився висновок, що 17-25 тисяч років тому, коли в Північній півкулі льодовики досягли свого "апогею" і потихеньку почали підтавати, на Руській рівнині і в Південній Сибіру клімат залишався досить стабільним.

Додаткові ізотопні дослідження вуглецю (співвідношення 13С/12C) і азоту (15N/14N) кісток стародавніх тварин дозволили встановити, що близько 14 тисяч років тому на Руській рівнині і в Південній Сибіру в раціоні травоїдних різко збільшилася частка соковитих кормів. Це пов'язано з початком ?? нтенсівного танення багаторічної мерзлоти і бурхливим зростанням луговий рослинності в улоговинах, що утворилися при витаіваніі підземних льодів. У холодні епохи минулого мамонти Якутії, що жили в найбільш суворих умовах, споживали більше рослинних білків у порівнянні, наприклад, з мамонтами, що жили на Руській рівнині. Їм доводилося харчуватися гілками і листям чагарників і лишайниками, у той час як в інших регіонах мамонти мали можливість є своє улюблене ласощі - соковиту траву.

У найближчих плани російських та італійських вчених - вивчення ізотопного складу вовни мамонтів. Дослідники сподіваються, що ці роботи дозволять реконструювати кліматичні умови, в яких жили велетні льодовикового періоду, а також дадуть відповідь на питання: "домосиди" Чи були мамонти або здійснювали тисячокілометрові сезонні міграції?

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nature.ru/