WIIKI.RU: Антарктический лед поведал о содержании метана и CO2 в атмосфере Земли за последние 800 тысяч лет

Океанология

Океанология – это наука, которая занимается изучением крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы, его длиннопериодной изменчивости, химического о... читать далее »

Новости Океанологии

24.05.2008 21:00

Антарктический лед поведал о содержании метана и CO2 в атмосфере Земли за последние 800 тысяч лет. Океанология.

Европейская антарктическая станция «Конкордия» на куполе »C». Два основных здания — «тихое» (лаборатория, спальни, медпункт) и «шумное» (столовая, кухня, мастерские). Зимой на станции могут жить 16 человек, летом — 32. Средняя годовая температура воздуха: –50,8°C. Минимальная: –84,6°C. Обычная летняя температура: –30°C, обычная зимняя: –60°C. Фото с сайта www.concordiastation.org

Анализ пузырьков воздуха, запечатанных в толще антарктического льда, позволил восстановить подробную динамику содержания в атмосфере углекислого газа и метана за последние 800 тысяч лет. Величины концентрации обоих газов совершали правильные циклические колебания с периодом около 100 тыс. лет, но они никогда не достигали таких высоких значений, которые наблюдаются сейчас.

В 1999 году в журнале Nature появилась статья, оставшаяся незамеченной средствами массовой информации, хотя ее научную, да и общественную, значимость трудно переоценить. Большая группа исследователей из разных стран подвела в ней итоги анализа самой длинной (более 3 тыс. м) колонки льда (керна), взятой на российской станции «Восток» в труднодоступном районе Восточной Антарктики (см.: Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica //Nature. V. 399. P. 429–436). Лед этот, образовывавшийся в течение сотен тысяч лет из выпадавших атмосферных осадков, содержал в своей толще пузырьки воздуха — того самого, который был на Земле 100 тыс., 200 тыс., и даже 400 тыс. лет назад. Анализируя в лабораториях его газовый состав, ученые получили возможность, по сути, прямым методом определить содержание в прошлые эпохи таких важнейших парниковых газов, как диоксид углерода (углекислый газ) CO₂ и метан CH₄. А оценив в разных слоях льда относительное содержание тяжелого изотопа водорода — дейтерия, можно было проследить и за тем, как менялась на протяжении последних 400 тыс. лет температура воздуха (при конденсации водяных паров для молекул, содержащих дейтерий, требуется меньшее охлаждение, чем для молекул, содержащих обычный водород).

Анализ данных, полученных на станции «Восток», показал, что за 420 тыс. лет содержание диоксида углерода и метана менялись синхронно и циклически, причем такую же цикличность показывала и температура. Примерно раз в 100 тыс. лет наблюдался как подъем температуры, так и возрастание концентрации парниковых газов. Затем и температура, и содержание парниковых газов снижались и наступал гораздо более продолжительный период глобального похолодания, сопровождающийся значительным увеличением массы ледников. Основная цикличность хода температуры и содержания парниковых газов за последние 400 тыс. лет определялась регулярными изменениями орбиты Земли — так называемыми циклами Миланковича, прежде всего сочетанием прецессии и угла наклона оси Земли к эклиптике (см. подробнее: Milankovitch cycles).

Об оледенениях можно было судить и по другой, независимо оцениваемой величине — относительному содержанию тяжелого изотопа кислорода ¹⁸O в донных морских отложениях. Метод основан на том, что в периоды, когда значительная часть суши покрыта льдом, уменьшается возврат воды в океан, а оставшаяся вода обогащается ¹⁸O, поскольку испаряются и уносятся на континенты прежде всего молекулы воды, содержащие обычный легкий изотоп кислорода — ¹⁶O. Изотопный состав морской воды, в свою очередь, отражается составом известковых панцирей мелких планктонных организмов — кокколитофорид и фораминифер, которые, отмирая, участвуют в формировании донных отложений.

Бурение льда на куполе »C» закончено. Слева — вид летней рабочей палатки. Справа — участники проекта бросают кусочки льда, которому сотни тысяч лет, в стаканы с шампанским. Пузырьки воздуха взрываются, оказавшись вне огромного давления. Единственный огорчающий момент — запах керосина, использовавшегося в качестве бурового раствора. Фото Гийома Дарго (Guillaume Dargaud) с сайта www.gdargaud.net

Бурение на станции «Восток» было прекращено в 1999 году, поскольку бур приблизился к крыше подледного озера, которое также получило название Восток (см.: Восток (озеро)). Однако к этому времени пробы льда начали брать и в других местах Антарктиды. Одним из наиболее успешных проектов последнего времени оказался EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica — Европейский проект бурения льда в Антарктиде), объединивший усилия исследователей из ряда стран Западной Европы, прежде всего — Франции и Италии. Станция «Конкордия» (Concordia), основанная в рамках этого проекта в 2005 году, располагалась на так называемом куполе »C» (Dome C), где гораздо менее ветрено, чем в районе станции «Восток», и где за год выпадает очень мало осадков, что делает существенно более тонкими слои ежегодно образующегося льда. Пройдя буром 3200 м (столько же, сколько и на станции «Восток»), исследователям удалось получит колонку льда, сформировавшегося в течение гораздо более длительного срока — 800 тыс. лет. Бурение было прекращено, когда бур почти достиг скального основания купола.

Одним из важнейших результатов анализа льда с купола «C» было подтверждение для последних 400 тыс. лет того хода изменений содержания дейтерия и парниковых газов, который ранее был выявлен на станции «Восток». Для более раннего периода, охватывающего время от 800 тыс. до 400 тыс. лет назад, также прослеживаются циклы примерно в 100 тыс. лет, связанные с изменениями параметров орбиты Земли. Данные по изотопному составу донных морских отложений, имеющиеся для всего этого времени, подтверждают правильное чередование наступления и отступления ледников на суше.

В публикациях, появившихся в последнем журнале Nature, основное внимание уделено результатам анализа нижних 200 м ледового керна, охватывающих период 650–800 тыс. лет назад. Содержание CO₂ в это время было ниже, чем во все последующие эпохи, составляя всего 180-210 ppm (parts per million — миллионных долей), что почти в два раза ниже современного уровня, составляющего 380 ppm. Тем не менее цикличность изменений остается примерно той же.

Верхняя кривая — колебания температуры. Нижняя кривая — содержание углекислого газа (CO₂) в миллионных долях (ppm, parts per million) за 800 тыс. лет по данным ледового керна с купола »C» (фиолетовые, синие, черные и красные точки), со станции «Восток» (зеленые точки) и с купола Тейлора (коричневые точки). Горизонтальными пунктирными линиями показано значение среднего уровня температуры или содержания CO₂ для определенного периода. Шкала времени — в сотнях тысяч лет назад (kyr BP, kiloyears before present). Разный цвет использован для обозначения данных, опубликованных в других статьях, полученных в разных местах или в одном месте, но разными методами. Рис. из обсуждаемой статьи Lüthi et al., 2008

Изучая газовый состав пузырьков воздуха с купола »C», авторы применяли разные методы. В частности, в лаборатории климата и физики окружающей среды Бернского университета использовали лазерную абсорбционную спектроскопию (см.: Laser absorption spectrometry), а в лаборатории гляциологии в Гренобле — газовую хроматографию (см.: Gas-liquid chromatography). Данные, полученные разными методами, показывали хорошее совпадение, хотя разброс величин был больше при низких значениях концентрации изучаемых газов.

Динамика содержания CO₂ (в миллионных долях, ppm — parts per million) в атмосфере 800–600 тыс. лет назад по данным анализа пузырьков воздуха в ледовом керне с купола »C» (станция «Конкордия», Восточная Антарктида). Вверху: шкала глубины льда — от 3040 до 3190 м. Внизу: шкала времени (в тыс. лет назад). Разным цветом показаны значения, полученные в разных лабораториях с использованием нескольких разных методов. MIS (Marine Isotope Stage) — стадии в истории Земли, выделенные на основании изотопного анализа донных морских отложений. Рис. из обсуждаемой статьи Lüthi et al., 2008

Если крупномасштабные колебания содержания углекислого газа в значительной мере определялись изменениями в системе взаимоотношений океана и суши, то колебания концентрации метана больше зависели от процессов, происходящих на суше, в частности от муссонов, вызванных резкими перепадами температур. В течение большей части охваченного периода содержание метана колебалось от 350 до 800 ppb (parts per billion — миллиардных долей), однако в настоящее время уровень концентрация метана существенно выше и составляет 1770 ppb. Периодичность основных циклов метана — около 100 тыс. лет, хотя спектральный анализ всего ряда выявляет также периоды в 41 тыс. лет и в 23 тыс. лет. Все они связаны с теми или иными характеристиками орбиты Земли.

Изменения содержания метана CH₄ (в частях на миллиард, ppb — parts per billion) в атмосфере за 800 тыс. лет. За начало обратного отсчета (левый край шкалы) взят 1950 год. Верхняя коричневая линия — по данным ледового керна со станции «Восток». Средняя кривая (красная, потом черная, и с голубыми точками) — по данным керна с купола »C» (черные точки — уже опубликованные раннее данные, красные — результаты анализа в Гренобле, синие — в Берне). Нижняя черная кривая — содержание дейтерия (пики соответствуют подъемам температуры). На врезке вверху справа — детально рассмотренные данные за период 650–800 тыс. лет назад. Верхняя кривая — содержание дейтерия в морских осадках (показатель температуры океана), средняя кривая — содержание метана в атмосфере, нижняя — содержание дейтерия во льду с купола »C». Видна очень хорошая их сопряженность. Рис. из обсуждаемой статьи Loulerlegue et al., 2008

Несмотря на достигнутые успехи, гляциологи ищут такие точки в Восточной Антарктиде, где можно было бы получить ледовый керн, охватывающий еще более продолжительный отрезок времени, вплоть до 1,5 миллионов лет.

Источники:
1) Dieter Lüthi, Martine Le Floch, Bernhard Bereiter, Thomas Blunier, et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present // Nature. V. 453. P. 379–382.
2) Laetitia Loulergue, Adrian Schilt, Renato Spahni, et al. Orbital and millennial-scale features of atmospheric CH₄ over the past 800,000 years // Nature. 2008. V. 453. P. 383–386.
3) Ed Brook. Palaeoclimate: Windows on the greenhouse // Nature. V. 453. P. 291–292.