Фрагменты угля доказывают, что в Антарктиде когда-то случались лесные пожары

Фото из открытых источников

Фрагменты древесного угля размером всего в несколько миллиметров, извлеченные со дна моря у берегов Западной Антарктиды, показывают, что умеренный лес вблизи Южного полюса регулярно горел около 90 миллионов лет назад. В том же исследовании описывается самое раннее известное торфяное болото, превратившееся в уголь.

Лесные пожары и Антарктида — трудно представить их вместе. Сегодня континент покрыт толстым слоем льда, и холод сохраняет почти всё, что на него падает. Около 90 миллионов лет назад, в меловом периоде (последний период эпохи динозавров), картина была совсем другой. Планета переживала один из самых теплых периодов за последние 140 миллионов лет, и ледяных шапок не было. Западная Антарктида была покрыта влажным умеренным лесом из хвойных деревьев, древовидных папоротников и нескольких цветковых растений.

Мы знаем про этот лес благодаря буровой кампании 2017 года. Исследовательский ледокол «Поларштерн», принадлежащий немецкому Институту Альфреда Вегенера (AWI), доставил буровую установку на дно в бухту Пайн-Айленд в море Амундсена. Работая на глубине около 946 метров, он поднял столб осадочных пород длиной около 30 метров, что примерно соответствует длине синего кита. В тот момент истории Земли это место находилось примерно в 900 км от Южного полюса.

В нижней части керна, под слоем гораздо более молодого песчаника, команда обнаружила около 3 метров темной грязи, насыщенной корнями, пыльцой и спорами. Сверху находился тонкий пласт лигнита — молодого и довольно мягкого угля. Его толщина составляла всего 5 см.

В 2020 году группа под руководством морского геолога Йоханна Клагеса из Института антарктических исследований (AWI) описала окаменелую лесную подстилку в журнале Nature. По данным института, летом там температура могла достигать 20°C, а растения выдерживали более четырех месяцев непрерывной темноты каждый год в атмосфере, содержащей по меньшей мере в четыре раза больше углекислого газа, чем сегодня. В 2024 году тот же керн преподнес еще один сюрприз: так называемый янтарь острова Пайн, самый южный из когда-либо найденных янтарных камней, о котором сообщила группа под руководством Клагеса в журнале Antarctic Science.

Никто еще не проверял, сгорел ли и этот лес. Международная группа под руководством Ульриха Зальцмана, палеоэколога из Университета Нортумбрии в Великобритании, вернулась к тому же керну, имея в виду этот вопрос. Ответ был утвердительный.

Уголь присутствовал на протяжении всего разреза, причем его было больше в верхних слоях. Часть его была микроскопической, с частицами размером менее 125 микрометров, примерно толщиной с человеческий волос. Другие куски были крупнее половины миллиметра, слишком большими, чтобы их мог унести ветер на большие расстояния. Это указывает на пожары, бушевавшие недалеко от места, где позже была установлена буровая установка.

Следующий вопрос касался того, что именно горело. Эту задачу выполнили Иммо Хайнц и Сергей Кашуро из Института исследований древесины им. Тюнена в Гамбурге. Это тот же институт, который обычно проверяет под микроскопом, соответствует ли партия тропической древесины заявленным характеристикам, в рамках службы, созданной в 2013 году для обеспечения соблюдения правил Европейского союза по борьбе с незаконной вырубкой леса. На этот раз возраст материала составлял 90 миллионов лет. По словам сотрудников института, самой сложной задачей было получение качественного изображения таких крошечных частиц. Хайнц, специалист по хвойной древесине, говорит, что, как только ему это удалось, он сразу узнал древесину.

Исследовательская группа изучила два образца, один из лигнита, а другой из расположенной под ним грязи, с помощью цифрового микроскопа и сканирующего электронного микроскопа, который позволяет увидеть поверхности при гораздо большем увеличении, чем при обычном освещении. Клетки древесины имели две особенности, типичные для подокарповых, семейства хвойных, которое сегодня произрастает только в Южном полушарии: кольцеобразные поры в клеточных стенках и оконный узор в порах, соединяющих соседние клетки. К ныне живущим родственникам относятся хуонская сосна (Lagarostrobos franklinii) и серебристая сосна (Manoao colensoi), которые растут на заболоченных торфяных почвах в Тасмании и Новой Зеландии. Подокарповые также составляли от трети до примерно 60 процентов всей пыльцы и спор того времени, поэтому они были доминирующими деревьями в региональном лесу.

Сгоревшая древесина сохраняет информацию о силе огня. Чем сильнее был пожар, тем больше света отражает уголь под микроскопом, и это свойство можно преобразовать в температуру. В данном случае результат составляет от 370 до 400 °C. Это типично для низовых пожаров, распространяющихся по лесной подстилке, а не для верховых пожаров, бушующих в кронах деревьев. Команда также обнаружила полициклические ароматические углеводороды — химические следы, похожие на сажу, остающиеся после неполного сгорания, — и их концентрация возрастает вместе с углем. В совокупности авторы приходят к выводу, что пожары были более частыми, чем интенсивными.

Температура имеет значение, поскольку другие антарктические участки рассказывают другую историю. На Южных Шетландских островах, расположенных рядом с Антарктическим полуостровом, исследователи описали обугленную древесину подокарпа, погребенную между слоями вулканического пепла. Температура пожаров там могла достигать 900°C, и в качестве причины их возникновения были предложены вулканические извержения. Однако объяснение с вулканом плохо согласуется с данными по острову Пайн. Ближайшие свидетельства вулканической активности мелового периода находятся в горах Джонс, примерно в 400 км от места бурения, и зарегистрированные в этих отложениях пожары были слишком слабыми, чтобы быть вызванными пирокластическими потоками — быстро движущимися облаками горячего газа и пепла, которые выбрасывают извергающиеся вулканы. Поэтому авторы исключают вулканизм как основную причину.

Что же тогда их поджигало? Исследование не указывает на конкретную искру. В нем отмечается, что в лесах высоких широт сегодня наиболее распространенным природным источником является молния, и предполагается, что климат способствовал сезонному характеру пожаров. Атмосфера с большим количеством кислорода, чем сегодня, облегчала бы горение, и, вероятно, были сильные колебания температуры между сезонами и, возможно, муссонные дожди. Ископаемая пыльца указывает на примерно 1120 мм осадков в год, что примерно вдвое больше, чем выпадает в Лондоне. Это много, но если большая часть осадков выпадала зимой, прибрежные болота могли достаточно пересохнуть летом, чтобы загореться.

Ещё одна деталь согласуется с янтарём, найденным в 2024 году. Поверхностные пожары, вероятно, повредили бы кору деревьев, а из повреждённых деревьев выделяется больше смолы. Янтарь часто находит рядом с окаменелым древесным углем, и в этом керне он находится в верхнем слое бурого угля, где также в изобилии содержится древесный уголь.

Пожары не происходили в пределах одной конкретной местности. Пыльца и споры в керне показывают, что нижняя часть представляла собой лесистое болото у реки. Один из типов пыльцы (Nyssapollenites) похож на пыльцу тупело, болотного дерева Северной Америки. С каким из ныне живущих растений он на самом деле связан, неизвестно, и авторы отмечают, что это, вероятно, не тупело. Выше по течению этот лес сменяется торфяным болотом, полным папоротников и преимущественно состоящим из сфагнума, или торфяного мха. Сфагнум впитывает огромное количество воды и делает почву кислой.

В верхних слоях споры составляют более трети от общего количества. Химический анализ указывает на кислую среду со средним pH 4,3 в верхних образцах, что близко к кислотности томатного сока и аналогично кислотности современных болот, питаемых дождевой водой. Авторы описывают это изменение как постепенный процесс заполнения (специалисты называют его террестриализацией): заболоченная территория накапливает остатки растений, пока не превратится в торфяное болото. Хорошие живые примеры можно найти в таких местах, как северная Испания, Ирландия и Шотландия.

Согласно исследованию, это самое раннее свидетельство существования сфагнового торфяного болота, образовавшегося в результате углеобразования. Предыдущие находки были обнаружены в лигните Шёнингена, на северо-западе Германии, возраст которого составляет около 55 миллионов лет (ранний эоцен). Этот уголь почти на 35 миллионов лет моложе антарктического. Этот же горнодобывающий регион известен своими деревянными копьями, возраст которых составляет около 300 000 лет.

Эта дата имеет значение из-за того, что ученые предполагали ранее. До сих пор считалось, что сфагнум в Южном полушарии произошел от северных видов, распространившихся поздно, примерно в миоцене, гораздо более поздней эпохе. Торфообразующий мох в меловом периоде Антарктиды противоречит этой идее, и авторы утверждают, что она ставит ее под сомнение.

Последовательность событий напоминает ту, что наблюдалась в Шёнингене, где увеличение количества сфагнума совпадает с увеличением количества древесного угля и уменьшением количества видов растений, что вполне ожидаемо для почвы, становящейся более кислой и бедной питательными веществами. В австралийской долине Латроб, в бурых углях олигоцена-миоцена, исследователи описали аналогичные связи между переходом от леса к болоту и пожарной активностью. Согласно исследованию, пожары, вероятно, поддерживали открытый ландшафт, замедляя рост деревьев и способствуя развитию папоротников, что, в свою очередь, способствовало развитию болота. Авторы сравнивают это с тем, что наблюдалось в северных водно-болотных угодьях за последние 10 000 лет.

Датировка керна, основанная на анализе пыльцы и на изменениях магнитного поля Земли, зафиксированных в породе, относит эту последовательность к периоду от 92 до 83 миллионов лет назад. Это примерно девятимиллионный промежуток, поэтому невозможно сказать, сколько времени занял переход от болота к торфянику. Авторы отмечают, что региональный лес из подокарповых и араукариевых деревьев (семейство хвойных, включающее араукарию мискантус) остается практически неизменным на протяжении всего периода, что указывает на стабильный климат. Они объясняют локальные изменения накоплением торфа и доступностью воды. Они также предполагают, что изменение уровня моря на близлежащем побережье могло запустить этот процесс, но рассматривают это лишь как возможную гипотезу.

Не все химические индикаторы это подтверждают. Некоторые соотношения углеводородов, которые обычно указывают на присутствие сфагнума, не совпадают с пиком спор, который авторы объясняют влиянием высших растений. Аргумент в пользу мха в основном основан на спорах.

И происхождение искры остается невыясненным. Поскольку извержения вулканов исключены как основная причина, команда Зальцмана не смогла сказать, что именно вызвало поверхностные пожары в таком влажном лесу, расположенном примерно в 560 милях от полюса.