Древний ледяной керн помогает объяснить загадочное изменение ледниковых периодов

Фото из открытых источников

Ученые пробурили ледяной керн рекордной длины, возраст которого составляет 1,2 миллиона лет. Содержащийся в нем древний воздух демонстрирует резкие колебания концентрации углекислого газа, которые могут помочь объяснить загадочное изменение ритма ледниковых периодов на Земле.

Образец керна, представленный на этой неделе на генеральной ассамблее Европейского союза геологических наук, является кульминацией 10-летней работы и бурения на протяжении 2,8 километров в Антарктиде в рамках европейского проекта Beyond EPICA. Он впервые дает прямое и детальное представление о том, как менялись концентрации парниковых газов в критический климатический период от 800 000 до 1,25 миллионов лет назад, когда ледниковые периоды на Земле перешли от 40 000-летних циклов к более длительным и интенсивным последовательностям в 100 000 лет.

«Это действительно важно», — говорит палеоклиматолог Эдвард Брук из Университета штата Орегон. «Эти ледяные керны позволяют заглянуть в прошлое достаточно далеко, чтобы увидеть изменения в климатических условиях Земли». Брук возглавляет группу, которая обнаружила антарктический «голубой лед», сохраняющий климатические снимки возрастом до 6 миллионов лет, но разрозненные и трудно поддающиеся интерпретации. В отличие от этого, на удаленном участке в глубине Антарктиды, называемом Малый Купол С, исследователи Beyond EPICA извлекли непрерывную, слоистую летопись, сформированную по мере выпадения снега год за годом. Это сдвигает их предыдущую летопись EPICA, полученную из кернов на двух других участках, еще на 400 000 лет в прошлое.

Расширенный период позволил внимательно изучить загадочный переходный период среднего плейстоцена (ПСП). Начавшись около 2,6 миллиона лет назад, климат колебался между относительно мягкими ледниковыми периодами каждые 40 000 лет, что было обусловлено колебаниями орбиты Земли. Но затем, около 1,25 миллиона лет назад, что-то начало сдвигать Землю в сторону 100 000-летних циклов более глубоких похолоданий, которые преобладают с тех пор. В орбите Земли ничего не изменилось; что-то должно было измениться в самой климатической системе Земли.

Керн Beyond EPICA показывает, что около 950 000 лет назад, в конце теплого межледникового периода, концентрация углекислого газа резко возросла на 50 частей на миллион (ppm) за несколько тысяч лет – геологический миг. После этого пика концентрация углекислого газа упала до 170 ppm, самого низкого значения, когда-либо зарегистрированного в непрерывном ледяном керне. (Сегодня уровень углекислого газа в атмосфере превышает 420 ppm.) Этот минимум точно совпадает с первым истинным 100 000-летним циклом.

«Мы пока не знаем, является ли это событие тем самым кульминационным моментом плазмотермического перехода или же это каскадное событие, длившееся сотни тысяч лет», — говорит Флориан Краусс из Бернского университета, который проводил измерения и представил данные. «Но это определенно очень важное событие».

По словам Краусса, в среднем за несколько сотен тысяч лет на протяжении всего периода позднего таяния ледниковых периодов уровень углекислого газа снизился незначительно — всего примерно на 20 или 25 ppm. «Но более интересная история — это изменчивость уровней в ледниковые и межледниковые периоды».

Наиболее примечательно то, что уровень углекислого газа в ледниковые периоды неуклонно снижался, достигнув минимума в 170 ppm в первом 100 000-летнем цикле. Эти тенденции отражены в косвенных измерениях состава атмосферы более 800 000 лет назад, полученных из кернов донных отложений, содержащих остатки раковин морских животных. Эти животные включают бор в свои раковины, и его изотопный состав отражает pH древнего океана, который, в свою очередь, отслеживает уровень углекислого газа в воздухе. Это совпадение обнадеживает, говорит Джеймс Рэй, палеоклиматолог из Университета Сент-Эндрюс, работающий с данными об изотопах бора. «Что действительно очень позитивно, — говорит он, — так это то, что все различные способы, которыми люди реконструировали CO₂ в это время, как правило, дают примерно одинаковое среднее значение CO₂».

Однако на первый взгляд изменчивость уровней углекислого газа, наблюдаемая в результатах проекта Beyond EPICA, противоречит данным, полученным на основе изучения голубого льда. В марте команда Брука сообщила, что уровни углекислого газа в голубом льду в период Средневекового термического перехода были в целом стабильны, что поставило под сомнение важность парниковых газов в этом периоде. Но голубой лед представляет собой прерывистую и неоднородную структуру; считается, что сохраняемые им климатические данные усреднены как по ледниковым, так и по межледниковым периодам, маскируя вариации. Брук утверждает, что между двумя данными о ледниках нет обязательного расхождения.

Теперь вопрос в том, что вызвало изменения содержания углерода, наблюдаемые в ледяном керне Beyond EPICA около 950 000 лет назад. Одна из подсказок кроется в изотопах углерода в воздушных пузырьках керна, которые, по словам Краусса, дают представление о происхождении углекислого газа. Углерод, хранящийся в глубоководных слоях океана, как правило, изотопически «легкий», поскольку он в основном образуется из разлагающихся фотосинтезирующих морских водорослей, которые опускаются сверху. Эти организмы предпочитают легкий углерод-12 тяжелому углероду-13. Если бы большое количество легкого углекислого газа из глубоководных слоев океана было выброшено в атмосферу во время повышения концентрации на 50 ppm непосредственно перед первым 100 000-летним циклом, изотопный след углекислого газа, захваченного льдом, также должен был бы стать легче. Но изотопный сигнал оставался относительно стабильным, что говорит о том, что глубоководные слои океана сохранили свой углерод. Это могло произойти из-за изменений в океанических течениях, которые, возможно, сами были вызваны ростом ледяных щитов во время постепенно усиливающихся ледниковых периодов. «Похоже, что в глубинах океана накапливается все больше и больше углерода», — говорит Краусс.

Результаты исследования Beyond EPICA наносят удар по другому объяснению, основанному на теории поздней термической эволюции: гипотезе реголита, которая опирается не на углекислый газ, а на внутреннее поведение ледниковых щитов. Идея заключается в том, что ледниковые щиты со временем размывали бы нижележащие рыхлые породы и почву, пока не осталась бы только коренная порода — и поскольку ледниковые щиты двигались бы медленнее по коренной породе, это изменение позволило бы им стать толще и существовать дольше, сдвигая циклы ледниковых периодов с 40 000 до 100 000 лет. Но чтобы объяснить резкий переход, наблюдаемый в керне Beyond EPICA, «нужно сказать, что реголит существовал до 950 000 лет назад, а затем его не стало», — говорит Хубертус Фишер, палеоклиматолог из Берна и один из руководителей проекта Beyond EPICA. «Это очень экстремальное изменение».

Данные об обнаружении еще одного газа в керне Beyond EPICA — тетрафторида углерода (CF4) , который выделяется из гранита при его разрушении,  — подтверждают этот вывод. Если бы гипотеза о реголите была верна, следовало бы ожидать большего выделения CF4 по мере того, как рыхлые породы и почва смывались, и обнажалось больше гранитных пород, говорит Йохен Шмитт, специалист по анализу керна в Берне. Но керн не показывает никакого повышения концентрации.

Вместо этого, по словам Рэя, тот же газ, который сегодня является причиной антропогенных изменений климата, похоже, контролировал ситуацию миллион лет назад. «Что поразительно, так это то, что в палеонауке каждый раз, когда мы получаем более точные реконструкции CO₂, мы обнаруживаем, что он играет главную роль в изменении климата».