В. Я. Липенков, А. Н. Саламатин, А. А. Екайкин. Палеоклиматические реконструкции по результатам исследований ледяного керна из глубокой скважины и шурфов на станции Восток

УДК 551.583.7 (99)

Введение

В эпоху нарастающего антропогенного воздействия на климат Земли особую актуальность приобретают исследования, направленные на восстановление истории глобальных и региональных изменений природной среды нашей планеты. Реконструкция и анализ временных рядов, характеризующих состояние и состав атмосферы, гидросферы и криосферы Земли в прошлом, позволяют вскрыть причинно-следственные связи и определить механизмы современных климатических изменений, которые могут оказывать существенное воздействие на хозяйственную деятельность и жизнь человека. Уникальными природными архивами палеокли-матических данных являются отложения атмосферного льда, слагающие ледниковые покровы Антарктиды и Гренландии. Керны древнего льда, добываемые при колонковом бурении глубоких скважин в современных ледниковых покровах, содержат наиболее полную информацию о колебаниях температуры и давления атмосферы, об изменениях ее ветрового и циркуляционного режимов, а также о вариациях газового и химического состава атмосферного воздуха в масштабах времени от десятков до сотен тысяч лет.

Скважина 5Г-1, бурение которой осуществляется на станции Восток специалистами Санкт-Петербургского государственного горного института, является в настоящее время самой глубокой из скважин, пробуренных когда-либо в ледниковых покровах Гренландии и Антарктиды. В январе 1998 г. проходка скважины 5Г-1 была остановлена на отметке 3623 м от поверхности ледника, на расстоянии примерно 130 м от контакта ледяной толщи с подледниковым озером Восток. На глубине 3538 м скважина вошла в слои конжеляционного льда, образовавшегося в результате намерзания воды озера на нижнюю поверхность ледника [Липенков и др., 2000].

Уникальность "восточного" керна определяется прежде всего его большим возрастом. Вблизи контакта ледника с замерзшей водой оз. Восток (3538 м) возраст льда атмосферного происхождения, по-видимому, превышает 1,5 млн лет [Барков и др., 2002]. Ненарушенный климатический сигнал в изотопном профиле наблюдается до глубины 3310 м (возраст льда на этой глубине составляет около 410 тыс. лет), что позволяет по результатам анализов образцов льда восстановить историю климата и атмосферы Земли на протяжении последних четырех ледниковых периодов и пяти межледниковий [Petit et al., 1999].

Начиная с 1999 г., исследования палеоклимата по данным ледяных антарктических кернов проводятся в рамках подпрограммы "Изучение и исследование Антарктики" Федеральной целевой программы "Мировой океан". На первом этапе реализации программы (1999-2003 гг.) основной задачей работ было детальное изучение ледяного керна скважины 5Г-1 до глубины 3310 м с целью восстановления климатических условий, в которых происходило формирование этой части разреза ледниковой толщи. Особое внимание уделялось разработке и внедрению в практику гляциологических исследований новых методов палеореконструкций, основанных на использовании результатов анализа кернов льда и данных термометрии буровой скважины.

Проблемы калибровки "изотопного палеотермометра"

Основной индикатор климатических условий, в которых происходило образование твердых атмосферных осадков, слагающих полярные ледниковые покровы, - изотопный состав льда:

(1)

Здесь δ обозначает δD или δ¹⁸O, a R, R_SMOW - отношения D/H или ¹⁸O/¹⁶O) в образце льда и в стандарте средней океанической воды (SMOW) соответственно. В рекристаллизационной зоне льдообразования величина δ льда в основном определяется температурой конденсации влаги в атмосфере. В центральных районах Антарктиды, например, образование осадков происходит вблизи верхней границы слоя приземной инверсии, следовательно, изменения изотопного состава антарктического льда по глубине должны отражать колебания температуры атмосферы на этом уровне в прошлом.

Для реконструкции температуры T_i на уровне конденсации влаги по результатам измерений изотопного состава льда (8) обычно используют линейное уравнение

ΔT_i=Δ(δ-δ_SW)/C_T, (2)

где δ_SW - изотопный состав морской воды, Δ - отклонение значения соответствующей характеристики в прошлом от ее современного значения, а С_T - коэффициент, связывающий изменения изотопного состава осадков и температуры их конденсации. Показано, что теоретически рассчитанное значение С_Т составляет 9‰ °С^-1 [Jouzel, Merlivat, 1984] и соответствует современной пространственной связи между δD снежных осадков и температурой поверхности ледника T_S в Восточной Антарктиде при условии С_i=ΔT_i/ΔT_S=0,67. В этом случае наклон пространственной регрессии δD=aT_S+b принимает значение а=С_iC_Т≈6‰ °С^-1 экспериментально установленное для Земли Адели [Lorius, Merlivat, 1977].

Традиционный подход к калибровке "изотопного палеотермометра" в районе станции Восток базируется на отождествлении временной зависимости δ(T_S) с современной пространственной связью между изотопным составом снега и его температурой на глубине 10 м, а также на предположении о постоянстве С_i во времени [Jouzel et al., 1993; Petit et al., 1999]. Соответствующие этому подходу калибровочные зависимости δD(T_S) и δD(T_i) показаны на рис. 1 прямыми линиями 1 и 3 соответственно.

Рис. 1. Зависимости изотопного состава снега (δD) от температуры атмосферы на верхней границе слоя приземной инверсии (T_i) и температуры поверхности ледника (T_S), используемые для калибровки 'изотопного палеотермометра' в районе станции Восток: 1 - современная пространственная зависимость δD(T_S), соответствующая C_TC_i=6‰ °C^-1 [Lorius, Merlivat, 1977]; 2 - современная временная зависимость δD(T_S), соответствующая C_TC_i=11‰ °С^-1 [Екайкин и др., 2003]; 3 - современная пространственная зависимость δD(T_i), соответствующая С_Т=9‰ °С^-1 [Jouzel, Merlivat, 1984]; 4 - современная временная зависимость δD(T_i), соответствующая С_Т=13,4‰ °С^-1 [Екайкин и др., 2003]; 5 - длиннопериодная временная зависимость δD (T_i), установленная с учетом данных термометрии глубокой скважины (С_Т=7,7±1,1‰ °С^-1 - диапазон ошибок показан на графике в виде затушеванной зоны) [Барков и др., 2002]

Для реконструкции скорости аккумуляции снега обычно используют зависимость количества осадков в Антарктиде от температуры их конденсации (насыщающего давления водяных паров) [Robin, 1977]. В соответствии с этим скорость аккумуляции снега в прошлом b* рассчитывается по формуле [Salamatin et al., 1998]:

b*=bexp(ηΔT_i;)=bexp(ηC_iΔT_S), (3)

где b - современная скорость питания ледника; η - параметр, зависящий от механизма осадкообразования.

В последние годы, однако, получены новые данные, которые показали необходимость пересмотреть изложенный выше подход к интерпретации изотопных профилей [Jouzel et al., 1997; Salamatin et al., 1998]. Было установлено, что коэффициенты пространственной регрессии между изотопным составом снега и средней температурой поверхности ледника, на которых основывались сделанные ранее палеореконструкций, в действительности существенно отличаются от коэффициентов соответствующих временных регрессий. В связи с этим цами начаты исследования, направленные на детальное изучение процесса формирования изотопного профиля снежной толщи и определение временных изотопно-температурных связей путем прямого сопоставления изотопного состава верхних слоев снега и атмосферных осадков с данными метеорологических и аэрологических наблюдений. Программой работ предусматривается тщательное изучение всех факторов и процессов, потенциально влияющих на характер зависимости δ(T_S) в Антарктиде, а именно: 1) условий в источниках влаги; 2) микрофизических условий образования осадков; 3) соотношения между T_S и Т_i; 4) соотношения между средней годовой температурой воздуха и температурой, взвешенной по количеству осадков; 5) процессов, преобразующих изотопный состав снега во время и после его отложения.

Исследования проводятся в районе ст. Восток (программа к настоящему времени полностью не завершена). На первом этапе работ собраны и систематизированы все имеющиеся данные об изотопном составе и стратиграфии верхнего слоя снежной толщи, а также проведены дополнительные стратиграфические и изотопные исследования. Анализ материалов по восьми шурфам глубиной 3-12 м, выполненный с привлечением метеорологических и аэрологических данных ст. Восток, позволил установить современные значения наклонов линейных регрессий 5D(r,) и 8D(TS), которые составили: С_Т=13,4‰ °C^-1, C_TC_i=11‰ °С^-1 (при С_i=0,82) [Екайкин и др., 2003]. Полученные коэффициенты характеризуют временные зависимости, которые были типичны для данного района на протяжении последних 45 лет (см. прямые 2 и 4 на. рис. 1). Как видим, короткопериодные зависимости δD(Т_i) и δD(T_S) заметно отличаются от своих пространственных аналогов, использовавшихся при калибровке изотопных профилей глубоких скважин.

Независимым источником информации о прошлых изменениях температуры поверхности ледника Ts являются профили температуры льда (термограммы), измеренные в глубоких скважинах. Задача реконструкции изменений температуры на поверхности ледника по термограмме решается с помощью компьютерной системы, реализующей блок моделей, которые описывают процессы теплопереноса в теле ледника, уплотнения и растекания льда, а также изменение мощности ледникового покрова вследствие климатических колебаний [Salamatin et al.., 1998; Salamatin, 2000]. Поскольку современное распределение температуры в леднике зависит не только от истории колебаний температуры на его поверхности, но также от прошлых изменений аккумуляции снега и мощности ледникового покрова, то одновременно с расчетом временного ряда поверхностной температуры система считает ряды аккумуляции и мощности ледника. Расчет ряда аккумуляции основан на использовании зависимости (3) с η=0,112 °С^-1 (значение соответствует современным условиям в районе станции Восток).

Реконструированный на основе термограммы скважины 5Г-1 ход температурных вариаций, соответствующих циклам Миланковича, был использован для датирования и последующей температурной калибровки изотопного профиля, полученного по керну станции Восток. Неопределенность реконструкций, которая оценивалась с помощью метода Монте-Карло [Salamatin, 2000], была существенно снижена в результате согласования полученных палеоклиматических рядов и датировки керна с результатами расчетов возраста льда по специально разработанной упрощенной параметрической модели течения льда [Барков и др., 2002]. Результаты расчетов показали, что наилучшее совпадение между теоретическим и измеренным распределением температуры в леднике достигается при значениях коэффициентов C_i и С_Т, лежащих в пределах 0,44÷0,55 и 8,8÷6,6‰ °С^-1 соответственно. Таким образом, калибровка "изотопного палеотермометра", основанная на анализе данных термометрии глубокой скважины (см. прямую 5 на рис. 1), приводит к более значительным колебаниям инверсионной температуры в прошлом, чем те, которые получаются при использовании калибровок, базирующихся на современных пространственной и временной зависимостях δD(T_i). При анализе скважинной термограммы было установлено, что простой линейной связи между изотопным составом осадков и температурой поверхности ледника в ходе длиннопериодных климатических изменений не существовало. Последнее обусловлено присутствием в колебаниях T_S дополнительного прецессионного сигнала, который не содержится в колебаниях инверсионной температуры и, следовательно, отсутствует в палеорядах изотопного состава осадков [Salamatin et al., 1998].

Дополнительным и независимым источником информации о скорости питания ледника и температуре его поверхности в прошлом являются экспериментальные данные о количестве и размере включений газа во льду. Существование климатического сигнала в вариациях геометрических характеристик пузырьков воздуха и газовых гидратов в антарктическом льду было впервые обнаружено при изучении ледяного керна со станции Восток [Барков, Липенков, 1984]. Последующие детальные исследования геометрических параметров воздушных включений в ледяных кернах, полученных из десяти пунктов бурения, расположенных на профиле Мирный-Восток, позволили выяснить происхождение этого сигнала [Липенков и др., 1999] и количественно описать связь количества гипогенных пузырьков в рекристаллизационном льду с температурой и скоростью аккумуляции снега в период льдообразования [Lipenkov, 2000]. Разработанная модель была затем использована для реконструкции соотношения между скоростью аккумуляции снега b и температурой T_S по среднему количеству пузырьков воздуха в слоях льда, сформировавшихся в районе ст. Восток в период последнего максимума оледенения (ПМО) примерно 20 тыс. лет назад [Липенков и др., 2000]. Сравнение значений T_S и b, реконструированных для ПМО различными методами, показало, что результаты палеоклиматической интерпретации данных о количестве пузырьков во льду в целом лучше согласуются с данными анализа скважинной термограммы, чем с результатами, полученными на основе традиционной калибровки изотопного профиля керна (рис. 2). Однако полного совпадения реконструкций не наблюдается ни в одном случае, что указывает на необходимость продолжать работы по совершенствованию методов интерпретации изотопных данных.

Рис. 2. Сопоставление результатов реконструкций температуры (T_S) и скорости аккумуляции снега (b) в районе станции Восток в период последнего максимума оледенения (ПМО): 1 - соотношение b(T_S), соответствующее количеству пузырьков воздуха в слоях льда, образовавшихся в ПМО (затушеванная область ограничивает интервал ошибок ±2σ); 2 - соотношение b(T_S), соответствующее уравнению (3) при С_i=0,67 и η=0,112 °С^-1; А - средние значения T_S и b в период ПМО, восстановленные в результате традиционной интерпретации профиля изотопного состава льда [Jouzel et al., 1993; Petit et al., 1999]; B, C, D - результаты реконструкций, выполненных в работах [Саламатин и др., 1998; Барков и др., 2002; Salamatin et al., 1998], с учетом данных о распределении температуры в толще ледника

Реконструкция мощности ледникового покрова

Данные о прошлых изменениях мощности ледникового покрова могут быть получены в результате интерпретации профилей общего газосодержания ледяных кернов [Липенков и др., 1993; Martinerie et al., 1994], а также на основе моделирования реакции ледникового покрова на изменяющиеся климатические условия его существования [Salamatin, Ritz, 1996].

Содержание воздуха во льду полярных ледников V изменяется в пределах от 0,07 до 0,13 см³/г, в зависимости от атмосферного давления Р_с, температуры воздуха Т_с и пористости льда сс в момент изоляции воздуха от атмосферы:

(4)

где T₀=273,1 К, Р₀=1013 мбар - нормальные условия; р_i=0,92 г/см³ - слабо-зависящая от температуры плотность чистого льда.

Экспериментально установлено, что пористость льда на границе фирн-лед (с_c) линейно увеличивается с ростом температуры льдообразования [Martinerie et al., 1994]:

с_с=5,25•10^-4T_c(К)-0,0235. (5)

Физический смысл зависимости (5) заключается в следующем: пористость с_с пропорциональна количеству пор, приходящихся на одно ледяное зерно в зоне замыкания фирновых пор. Последняя величина линейно растет с увеличением критической плотности снежных осадков (на границе снег-фирн), которая в свою очередь пропорциональна температуре снега [Arnaud, 1997].

Кроме того, критическая плотность осадков связана с плотностью снега на поверхности ледника, последняя определяется метеорологическими условиями (температурой, скоростью ветра, радиационным режимом), доминирующими в период отложения и закрепления снега. Следовательно, в общей изменчивости сс есть "нетемпературная" составляющая, обусловленная временными вариациями начальных свойств (плотности) снега на поверхности ледника.

Давление Р_с в любой момент времени связано со своим современным значением Р⁰_с уравнением

Р_с=Р⁰_c+αkΔН+ΔР_атм, (6)

где ΔН и ΔР_атм - изменения мощности ледника и климатически обусловленные изменения атмосферного давления по отношению к их современным значениям соответственно; α - градиент изменения давления с высотой (α≈-0,09 мбар/м); k - поправочный коэффициент, учитывающий изостатический эффект (k≈0,66). Таким образом, несмотря на сложную зависимость пористости ледяной породы на границе фирн-лед от ряда факторов, которые не всегда поддаются количественной оценке, результаты измерения газосодержания ледяных кернов потенциально являются ценным и независимым источником информации о прошлых изменениях высоты поверхности (мощности) ледника.

Измерения газосодержания ледяного керна со станции Восток на предыдущих этапах исследований осуществлялись тремя методами, различающимися по способам экстракции газа и определения его количества [Липенков и др., 1993; Martinerie et al., 1994]. На заключительной стадии работ был использован новый барометрический метод определения V [Lipenkov et al., 1995]. Он основан на точном измерении давления и температуры сухого воздуха, экстрагированного из ледяного образца в результате его плавления и медленного повторного замораживания в предварительно вакуумированнои камере, объем которой известен с высокой степенью точности. Профили газосодержания керна, полученные с помощью измерительной установки, реализующей барометрический метод, отличаются малой абсолютной погрешностью (0,6%) и высокой воспроизводимостью результатов измерений (не хуже 0,5%).

Результаты определения общего содержания газа в керне со станции Восток до глубины 3310 м, откорректированные на эффект адвекции льда из вышележащих районов, показаны на рис. 3 относительно шкалы возраста газа, установленной, как описано ранее [Липенков и др., 2000]. Экспериментальный ряд V на рис. 3 сопоставлен с теоретическим рядом, который был рассчитан с помощью уравнений (4)-(6) при ΔР_атм=0 по результатам моделирования изменений мощности ледникового покрова ΔН, вызванных глобальными климатическими изменениями [Salamatin, Ritz, 1996]. В расчетах использовалась реконструкция температуры T_S и аккумуляции снега b, выполненная на основе изотопного профиля керна с учетом данных о распределении температуры в ледниковом покрове и согласованная с расчетом возраста льда по гидродинамической модели [Барков и др., 2002]. Теоретический и экспериментальный ряды, приведенные на рис. 3, хорошо согласуются как по уровню средних значений, так и по основным особенностям изменений V в течение последних 410 тыс. лет. Это свидетельствует о корректности модельных расчетов, показывающих, что климатически обусловленные вариации мощности ледникового покрова в районе станции Восток за указанный период времени не превышали 150 м (4%) относительно ее современного значения (см. шкалу справа на рис. 3).

Рис. 3. Результаты измерений общего содержания газа в ледяном керне со станции Восток (пунктир) и реконструкция колебаний мощности ледника (сплошная линия)

Наряду с длиннопериддными колебаниями в экспериментальном ряду V на рис. 3 наблюдаются не уступающие им по амплитуде высокочастотные вариации, которые не могут быть ассоциированы с изменениями мощности ледника. Детальные исследования этих вариаций на отдельных участках разреза ледника показали, что они хорошо воспроизводятся в независимых сериях измерений, выполненных различными методами по кернам скважин, отстоящих одна от другой на десятки метров, и, следовательно, являются характерной особенностью ледниковой толщи в районе станции Восток (рис. 4). Проведенные нами исследования показали, что природа "быстрых" изменений газосодержания ледяного керна, скорее всего, связана с "нетемпературными" изменениями сс, которые вызваны вариациями плотности снега на поверхности ледника. В частности, слои льда вблизи отметки 2140 м (см. рис. 4), по-видимому, формировались из снега, имевшего повышенную начальную плотность. Вариации физических и структурных свойств поверхностного слоя снега в центральных районах Антарктиды могут быть обусловлены изменениями средней скорости ветра и температуры снега [Липенков и др., 1998], а также колебаниями потока прямой солнечной радиации [Bender, 2002]. Последнее подтверждается наличием (хотя и не на всем протяжении исследуемого отрезка времени) корреляции между рядом газосодержания льда, полученным по керну со станции Восток, и кривой инсоляции на 78° ю. ш., рассчитанной для середины декабря. При этом периодам с повышенным потоком прямой солнечной радиации, как правило, соответствуют слои с пониженным газосодержанием (или пониженной пористостью сс).

Рис. 4. Газосодержание льда в интервале глубин 1800-2200 м (станция Восток): 1 - результаты измерений, выполненных тремя независимыми методами по кернам скважин ЗГ и 4Г; 2 - результаты измерений, выполненных барометрическим методом по керну скважины 5Г; 3 - результаты моделирования общего содержания газа во льду

Изменения климата и мощности антарктического ледникового покрова за последние 410 тыс. лет по данным керна со станции Восток

Ход изменений температуры атмосферы на верхней границе слоя приземной инверсии и количества осадков в районе станции Восток за последние 410 тыс. лет был реконструирован по экспериментальному профилю изотопного состава керна до глубины 3310 м с учетом данных о распределении температуры в леднике (рис. 5, а). На этом этапе исследований для расчета значений T_i (левая шкала на рис. 5, а) и b (правая шкала) по изотопному составу льда мы использовали уравнение (2) с коэффициентом С_Т=7,7‰ °С^-1 (калибровочная прямая 5 на рис. 1) и уравнение (3) с коэффициентом η=0,112 °С^-1 соответственно. Кроме кривой инверсионной температуры/осадков на рис. 5 показаны также: ряд концентрации СO₂ в воздухе, экстрагированном из керна (б) [Petit et al., 1999]; реконструкция изменений мощности ледникового покрова (в) [Барков и др., 2002]; независимо датированная сводная "морская" изотопная кривая, характеризующая изменения уровня Мирового океана (г) [Bassinot et al., 1994], и кривая июньской инсоляции на 65° с. ш. (д).

Датирование разреза ледниковой толщи до глубины 3310 м осуществлялось методом согласования геофизической временной шкалы, полученной на основе анализа температурного профиля ледника [Salamatin et al., 1998; Salamatin, 2000], с результатами расчетов возраста льда по гидродинамической модели [Барков и др., 2002]. Расчет разницы в возрасте льда и заключенного в нем газа (СO₂) выполнялся с использованием модели уплотнения фирна [Aranaud, 1997] по данным реконструкции температуры и аккумуляции снега на поверхности ледника [Барков и др., 2002]. Шкала изменений уровня моря, показанная на рис. 5, г, рассчитана путем калибровки сводной морской изотопной кривой [Bassinot et al., 1994] по коралловым данным о колебаниях уровня моря за последние 100 тыс. лет [Mayewski et al., 1997].

Рис. 5. Изменения климата, газового состава атмосферы и толщины антарктического ледникового покрова за последние 410 тыс. лет по результатам изучения ледяного керна со станции Восток: а - ход изменений температуры атмосферы на верхней границе слоя приземной инверсии (левая шкала) и количества осадков (правая шкала) в районе станции Восток; б - объемная концентрация СO₂ в атмосфере, выраженная в частях на миллион (ppmv); в - изменение мощности антарктического ледникового покрова в районе станции Восток; г - изменение уровня Мирового океана, рассчитанное по сводной изотопной кривой морских осадков (цифрами обозначены 'теплые' морские изотопные стадии); д - инсоляция в середине июня на 65° с. ш. Вертикальными полосами выделены периоды дегляциаций

Как не раз отмечалось при обсуждении результатов, полученных на ст. Восток, значения различных индикаторов состояния климата и атмосферы Земли, восстановленные по данным анализов керна, показывают согласованные периодические колебания, что указывает на неизменность механизмов глобальных климатических изменений на Земле в течение последних 410 тыс. лет. В частности, устойчивая корреляция между колебаниями температуры в Центральной Антарктиде, с одной стороны, и вариациями уровня океана (объема континентального льда) и концентрации С02 в атмосфере - с другой, подтверждают ведущую роль парниковых газов в усилении периодических колебаний глобального климата, первоначально вызванных изменениями орбитальных параметров Земли (инсоляции).

Спектры рядов, приведенные на рис. 5, подтверждают доминирующую роль стотысячелетнего цикла (изменение эксцентриситета земной орбиты) в глобальных изменениях климата Земли. Как и в изотопных профилях морских колонок, в "восточном" керне продолжительности третьего и четвертого больших климатических циклов на один период прецессионного колебания короче, чем продолжительности первого и второго. Результаты, полученные на станции Восток, подтверждают также "пилообразный" характер флуктуации климата: медленное похолодание в течение ледниковых периодов вплоть до максимума оледенения сменяется его быстрой терминацией. Максимума оледенение достигает непосредственно перед наступлением межледниковья. Исключение составляет третий цикл, в котором минимум инсоляции, предшествовавший дегляциаций (255 тыс. лет назад), был выше, чем предыдущий инсоляционный минимум 280 тыс. лет назад (см. рис. 5, д).

Сопоставление графиков, приведенных на рис. 5, а и в, показывает, что в связи с уменьшением аккумуляции снега мощность льда в центральных районах Антарктиды уменьшалась в периоды максимумов похолоданий в среднем на 150 м по сравнению с современной, в то время как в периоды межледниковий (более теплый и влажный климат) она возрастала, достигая или незначительно превышая свое современное значение (3750 м). Таким образом, благодаря строгой корреляции между температурой и количеством осадков, существование которой независимо подтверждается данными по гренландским кернам, обеспечивается высокая стабильность современных ледниковых покровов Антарктиды и Гренландии в условиях более теплого климата межледниковий.

Сопоставление хода изменений температуры, концентрации СO₂ и уровня моря (рис. 5, а, б, г) позволяет сделать вывод, что повышение температуры в центральных районах Антарктиды в периоды дегляциаций (переходов от ледниковых максимумов к межледниковьям) примерно на тысячу лет опережало начало глобального увеличения концентрации СO₂ в атмосфере и как минимум на 3 тысячи лет предшествовало изменению уровня Мирового океана (и началу потепления в Северной Атлантике). Установленное время запаздывания начала роста концентрации СO₂ (∼1000 лет) в периоды дегляциаций соответствует типичному времени перемешивания воды в океане, обеспечивающему возврат к состоянию равновесия в углеродной системе океан - атмосфера после его нарушения, вызванного климатическими изменениями.

Данные о содержании СO₂ в керне со станции Восток (рис. 5, б) показывают, что концентрация углекислого газа в современной атмосфере (около 350 ppmv) является беспрецедентной за последние 410 тысяч лет. В теории парникового эффекта изменения температуры изначально вызываются изменениями содержания парниковых газов в атмосфере вследствие эмиссии этих газов в ходе производственной деятельности человека. Именно с этим связывают современное глобальное потепление климата Земли. Анализ данйых, полученных по керну со станции Восток, позволяет заключить, что причинно-следственные связи в процессах естественных длиннопериодных колебаний земной климатдческой системы, обусловленных вариациями орбитальных параметров Земли, отличаются от механизмов современных, существенно более быстрых изменений климата. В частности, в ходе естественных климатических изменений исходным толчком к нарушению баланса в кругообороте углерода в географической оболочке служили изменения температуры атмосферы и океана. Вызванные этим переходные процессы, направленные на восстановление нарушенного равновесия, занимали по времени сотни и тысячи лет. Они приводили к изменению концентрации парниковых газов в атмосфере и как следствие - к усилению первоначально слабых изменений температуры.

Ряд изменений мощности антарктического ледникового покрова хорошо коррелирует с независимо датированной кривой колебаний уровня Мирового океана (см. рис. 5, в, г). Это свидетельствует о синхронной реакции (одинаковом времени запаздывания) покровных оледенений Северного и Южного полушарий на глобальные климатические изменения. При этом изменения уровня моря происходили в основном благодаря возникновению и исчезновению крупных покровных оледенений в умеренных широтах Северного полушария и, по-видимому, были мало связаны с колебаниями массы льда, слагающего более стабильные и потому существующие и в наше время (межледниковье) полярные ледниковые покровы Антарктиды и Гренландии.

В отношении хода изменений инсоляции современная эпоха (голоцен) во многом подобна 11-й морской изотопной стадии (МИС-11) - межледниковому периоду 410-370 тыс. лет назад (см. рис. 5, г, д). Именно поэтому детальные исследования климата и природной среды эпохи МИС-11 могут дать важный материал для предсказания естественных климатических изменений, ожидающих человечество в ближайшие 1000 лет. Особенно интригующим обстоятельством здесь является то, что МИС-11 приписывают высокий уровень Мирового океана (на 20 м выше современного), что объясняют распадом в этот период климатической истории Земли одного из ныне существующих крупных покровных ледников - Западной Антарктиды или Гренландии. Подобные катастрофические изменения в географической оболочке Земли были, как полагают, связаны с резким увеличением содержания углекислого газа в атмосфере, последнее, однако, не подтверждается данными прямых измерений СO₂ в керне со ст. Восток (см. рис. 5, б). С другой стороны, анализ изотопного профиля керна (см. рис. 5, а) и результатов измерения общего газосодержания льда (см. рис. 3) свидетельствует о достаточно однородных по амплитуде колебаниях климата Антарктиды и относительном постоянстве мощности Восточно-Антарктического ледникового покрова в течение последних 410 тыс. лет. Таким образом, данные, полученные при исследовании керна со станции Восток, не подтверждают возможность распада Западно-Антарктического ледникового покрова в одну из теплых эпох позднего плейстоцена.

Климатические изменения в районе станции Восток за последние 200 лет

Детальные стратиграфические и изотопные исследования снежной толщи в восьми шурфах глубиной 3-12 м, пройденных в окрестностях станции Восток, позволили реконструировать временные ряды аккумуляции и изотопного состава атмосферных осадков, охватывающие последние 50-200 лет [Екайкин и др., 2001, 2003]. Сравнение спектров этих рядов со спектрами пространственных рядов аккумуляции и изотопного состава снега, полученных на снегомерном полигоне ст. Восток, привело к заключению, что временные колебания указанных характеристик, наблюдаемые в отдельно взятых точках (шурфах, скважинах), во многом обусловлены миграцией волн снегонакопления (форм снежной поверхности) различного масштаба [Екайкин и др., 1998, 2003]. Доля общей дисперсии межгодовых рядов, связанная с полезным климатическим сигналом, составляет всего около 17% для рядов δD и около 10% для рядов аккумуляции. Было показано, что для подавления "стратиграфического шума" ряды годовых значений указанных характеристик необходимо сглаживать с периодом 20 лет.

С учетом изложенных выше методических выводов на основании результатов исследований глубоких (10-12 м) шурфов была выполнена реконструкция изменений температуры воздуха и скорости накопления снега в районе станции Восток за последние 200 лет (рис. 6). Для калибровки "изотопного палеотермометра" в данном временном масштабе региональных климатических изменений использовались калибровочные прямые 2 и 4 (см. рис. 1), коэффициенты которых (C_TC_i=11‰ °С^-1 и С_Т=13,4‰ °С^-1, соответственно) установлены на основе корреляции изотопного состава годовых слоев снежной толщи с данными метеорологических и аэрологических наблюдений на станции Восток за последние 45 лет [Екайкин, 2003].

Как видно на рис. 6, во временных рядах обеих характеристик наблюдаются квазипериодические колебания с периодом примерно 50 лет. Температура атмосферы на верхней границе слоя приземной инверсии колебалась в течение последних двух столетий в пределах ±1 °С около своего среднего значения (примерно -38 °С). Изменения аккумуляции снега в целом происходили согласно с изменениями температуры и достигали по амплитуде 25% и более от своего среднего значения (2,15 г/см² в год). Вместе с тем строгая корреляция между температурой и скоростью питания ледника, чего можно было бы ожидать исходя из уравнения (3), в рассматриваемый период времени отсутствовала. Обнаруженный нами 50-летний цикл в изменениях температуры и аккумуляции снега, по-видимому, связан с периодическими вариациями циклонической активности в Южном полушарии.

Рис. 6. Реконструкция климатических изменений в Центральной Антарктиде за последние 200 лет по результатам детальных изотопных и стратиграфических исследований в шурфах на станции Восток: а - изменения температуры воздуха на верхней границе слоя приземной инверсии (полужирная линия) и у поверхности ледника (тонкая линия); б - изменение аккумуляции снега относительно среднего значения за 200 лет

Как следует из графиков, представленных на рис. 6, в течение последних десятилетий температура и аккумуляция снега росли, начиная примерно с 1960 г. и до максимума в 1970-1980 гг., за этим последовало похолодание (сопровождавшееся уменьшением количества осадков), продолжающееся в настоящее время. Указанный ход климатических характеристик, подтвержденный сравнением с рядами инструментальных наблюдений температуры на ст. Восток, является отражением последнего 50-летнего цикла. Полученные данные свидетельствуют о слабом влиянии глобального потепления на климат и количество осадков в Центральной Антарктиде.

Заключение

Результаты исследований ледяного керна скважины 5Г-1 свидетельствуют, что механизмы взаимосвязи между эволюцией температуры и концентрации СO₂ в атмосфере в ходе современных климатических изменений, вызванных производственной деятельностью человека, отличаются от механизмов естественных длиннопериодных колебаний климатической системы, обусловленных вариациями элементов орбиты Земли. Полученные данные свидетельствуют также об относительной стабильности параметров оледенения Антарктиды в ходе глобальных климатических изменений. На основе детальных стратиграфических и изотопных исследований снежной толщи в районе ст. Восток сделан вывод об отсутствии значительных климатических трендов в Центральной Антарктиде на протяжении последних двух столетий.

Проведенные исследования указывают на необходимость дальнейшего совершенствования методов температурной калибровки изотопных профилей. Следующим шагом в этом направлении должно стать согласование па-леоклиматических реконструкций, выполненных с использованием изотопных данных, экспериментальных профилей геометрических характеристик воздушных включений во льду и результатов измерений температуры в глубокой скважине.

Литература

Барков Н. И., Вострецов Р. Н., Липенков В. Я., Саламатин А. Н. Колебания температуры воздуха и осадков в районе станции Восток на протяжении четырех климатических циклов за последние 420 тыс. лет//Арктика и Антарктика. 2002. Вып. 1(35). С. 82-89.

Барков Н. И., Липенков В. Я. Количественная характеристика структуры льда в районе станции Восток до глубины 1400 м//Материалы гляциол. исслед. 1984. Вып. 51. С. 178-186.

Екайкин А. А., Липенков В. Я., Барков Н. И. Пространственно-временная структура поля снегонакопления в районе станции Восток, Центральная Антарктида//Вестн. СПб. ун-та. Сер. 7, Геология, география. 1998. Вып. 4, № 4. С. 38-50.

Екайкин А. А., Липенков В. Я., Барков Н. И. и др. Изотопный состав поверхностного слоя снежной толщи в районе станции Восток, Центральная Антарктида//Материалы гляциол. исслед. 2001. Вып. 90. С. 69-79.

Екайкин А. А., Липенков В. Я., Пети Ж. Р., Массон-Дельмотт В. 50-летний цикл в изменениях аккумуляции и изотопного состава снега на станции Восток//Там же. 2003. Вып. 94. С. 163-173.

Липенков В. Я., Барков Н. И., Мартинри П., Райно Д. Газосодержание ледяных отложений в районе станции Восток//Антарктика. М.: Наука, 1993. Вып. 31. С. 85-89.

Липенков В. Я., Барков Н. И., Саламатин А. Н. История климата и оледенения Антарктиды по результатам изучения ледяного керна со станции Восток//Пробл. Арктики и Антарктики. 2000. Вып. 72. С. 197-236.

Липенков В. Я., Екайкин А. А., Барков Н. И., Пурше М. О связи плотности поверхностного слоя снега в Антарктиде со скоростью ветра//Материалы гляциол. исслед. 1998. Вып. 85. С.148-158.

Липенков В. Я., Рыскин О. А., Барков Н. И. О связи между количеством воздушных включений во льду и условиями льдообразования//Там же. 1999. Вып. 86. С. 75-92.

Саламатин А. Н., Вострецов Р. Н., Пети Ж. Р. и др. Геофизические и палеоклиматические приложения составного температурного профиля из глубокой скважины на станции Восток (Антарктида)//Там же. 1998. Вып. 85. С. 223-240.

Arnaud L. Modelisation de la transformation de la neige en glace a la surface des calottes polaires: These de doctorat, de l'Univ. Joseph Fourier de Grenoble. Grenoble, 1997. 223 p.

Bassinot F. C., Laberie L. D., Vincent E. et al. The astronomical theory of climate and the age of the Brunhes-Matuyama magnetic reversal//Earth and Planet. Sci. Lett. 1994. Vol. 126. P. 91-108.

Bender M. L. Orbital tuning chronology for the Vostok climate record supported by trapped gas composition//Ibid. 2002. Vol. 204. P. 275-289.

Jouzel J., Alley R. B., Cuffey K. M. et al. Validity of the temperature reconstruction from water isotopes in ice cores//J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102, N C12. P. 26471-26487.

Jouzel J., Barkov N. I., Barnola J. M. et al. Extending the Vostok ice-core record of palaeoclimate to the penultimate glacial period//Nature. 1993. Vol. 364. P. 407-412.

Jouzel J., Merlivat L. Deuterium and oxygen 18 in precipitation: modeling of the isotopic effects during snow formation//J. Geophys. Res. 1984. Vol. 89, N D7. P. 11749-11757.

Lipenkov V. Ya. Air bubbles and air-hydrate crystals in the Vostok ice core//Physics of ice core records. Sapporo: Hokkaido Univ. press, 2000. P. 327-358.

Lipenkov V., Candaudap F., RavoirJ. et al. A new device for air content measurements in polar ice//J. Glaciol. 1995. Vol. 41, N 138. P. 423-429.

Lorius C., Merlivat L. Distribution of mean surface stable isotope values in East Antarctica: observed changes with depth in the coastal area//Isotopes and impurities in snow and ice//IAHS Publ. 1977. №118. P. 127-137.

Martinerie P., Lipenkov V.Ya., Raynaud D. et al. Air content paleo record in the Vostok ice core (Antarctica): A mixed record of climatic and glaciological parameters//J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99, N D5. P. 10565-10576.

Mayewski P. A., Meeker L. D., Twickler M. S. et al. Major features and forcing of high-latitude northern hemisphere atmospheric circulation using a 110,000-year-long glaciochemical series//Ibid. 1997. Vol. 102, N C9. P. 26345-26366.

Petit J. R., Jouzel J., Raynaud D. et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica//Nature. 1999. Vol. 399, N 6735. P. 429-436.

Robin G. de Q. Ice cores and climatic change//Philos. Trans. Roy. Soc. London. B. 1977. Vol. 280. P. 143-168.

Salamatin A. N. Paleoclimatic reconstructions based on borehole temperature measurements in ice sheets. Possibilities and limitations//Physics of ice core records. Sapporo: Hokkaido Univ. press, 2000. P. 243-282.

Salamatin A. N., Lipenkov V. Ya., Barkov N. I. et al. Ice-core age dating and palaeothermometer calibration based on isotope and temperature profiles from deep boreholes at Vostok Station (East Antarctica)//J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, N D8. P. 8963-8977.

Salamatin A. N., Ritz C. A simplified multi-scale model for predicting climatic variations of the ice sheet surface elevation in the Central Antarctica//Ann. Glaciol. 1996. Vol. 23. P. 28-35.