Динамика СО2 за 800 тыс. лет
Бурение на станции «Восток» было прекращено в 1999 году, поскольку бур приблизился к крыше подледного озера, которое также получило название Восток. Однако в других местах Антарктиды работы по глубокому бурению льда продолжались. В частности, колонка льда, не самая длинная (3190 м), но охватывающая рекордный на сегодняшний день период времени – 740 тыс. лет, была получена на куполе «це» («С») в Восточной Антарктике, примерно в 500 км от станции «Восток», в рамках Международного европейского проекта по бурению льда Антарктиды (EPICA – European Project for Ice Coring in Antarctica). Первые результаты этих работ недавно опубликованы. Особенно интересны данные по относительному содержанию дейтерия, позволяющие придти к нескольким важным заключениям об изменениях температуры за 740 тыс. лет.
Во-первых, выяснилось, что цифры, полученные на куполе «С» для последних 420 тыс. лет, очень близки к уже известным для этого периода по керну со станции «Восток». Таким образом, получено независимое подтверждение реконструированной ранее динамики климата во времени.
Во-вторых, изменения содержания дейтерия во всем ледовом керне (за 740 тыс. лет) оказались теснейшим образом коррелированы с динамикой другого, независимо полученного, показателя палеотемпературы, а именно – долей изотопа кислорода 18О относительно обычного 16O в морских донных осадках. Данный метод основан на том, что оба изотопа включаются в карбонат кальция CaCO3 (а из этого вещества образованы раковины фораминифер - простейших, повсеместно распространенных и соответственно везде попадающих в донные отложения) в том соотношении, в котором они находятся в окружающей морской воде. А соотношение их в воде, в свою очередь, связано с общей климатической ситуацией, поскольку при испарении воды с поверхности океана, последующей ее конденсации и выпадении с дождем и снегом, молекулы, содержащие тяжелый изотоп 18O, возвращаются быстрее, чем содержащие 16O. Последние в значительно большем количестве уносятся на континенты и задерживаются там особенно долго, если попадают на ледники. Чем холоднее климат и чем больше масса ледников, тем сильнее обогащаются оставшиеся в океане воды тяжелым изотопом 18O.
В третьих, для периода, охваченного керном с купола «С», отмечена смена типа динамики температуры, подтвержденная данными по содержанию 18O в донных осадках. А именно, если за последние 430 тыс. лет основными были циклы по 100 тыс. лет, причем короткие межледниковые периоды сменялись длительными ледниковыми, то для предшествующих 300 тыс. лет были характерны колебания с периодичностью в 40 тыс. лет, причем межледниковые периоды были менее теплыми, но на каждый из них приходилась большая часть цикла (в отличие от последних 420 тыс. лет), а общая амплитуда была меньше. Авторы предполагают, что система амплификаторов (усилителей), преобразующая действие пусковых механизмов (изменений орбитальных характеристик) в глобальные климатические изменения могла быть несколько другой, но в чем конкретно заключались эти различия, пока сказать трудно. Любопытно, что ситуация при окончании ледникового периода и начале межледникового, имевшая место 430 тыс. лет тому назад, по амплитуде температурных изменений и содержанию парниковых газов напоминают ту, что складывается в настоящее время. Правда, потепление протекает быстрее и преобразования, которые раньше потребовали 28 тыс. лет, сейчас заняли всего 12 тыс. лет.
Повышение содержания СО2 в начале Пермского периода
В конце палеозойской эры, в самом начале пермского периода (примерно 300 миллионов лет назад) на смену очень долго (почти полмиллиарда лет) длившихся холодов пришло глобальное потепление, сопряженное с резким возрастанием содержания в атмосфере СО2 — от уровня, примерно равного современному (250 ppm), до 1000 ppm, а затем и до 3000 ppm (то есть почти в 12 раз).
Конечно определить концентрацию углекислого газа, которая была на Земле 300 миллионов лет назад, гораздо труднее, чем ту, что была 300 тысяч лет назад. Запечатанных пузырьков воздуха с тех пор не сохранилось, а исследователям приходится опираться на косвенные показатели, однако комбинирование разных методов и согласование полученных результатов может дать достаточно надежную оценку.
Для определения концентрации СО2 авторы применяли несколько методов, в частности метод, основанный на оценке содержании стабильного изотопа углерода 13C в кальцитах, образовавшихся в древних почвах на поверхности континентов, в минерале гётите, а также в остатках ископаемых растений.
Известно, что при фотосинтезе растения (особенно С3-растения) в первую очередь используют молекулы СО2 с более легким изотопом 12С, а тяжелый 13С остается в воздухе. В образующемся абиогенным образом (без участия организмов) кальците изотопы углерода 12С и 13С встречаются в той же пропорции, что и в воздухе между частицами почвы, но поскольку там содержится много растительных остатков, то и воздух этот оказывается обеднен 13С. Однако при высокой концентрации СО2 (высоком парциальном давлении) этот тяжелый газ в большем количестве и в неизмененном растениями состоянии проникает в почву, где соответственно повышается доля 13С. На этом основан так называемый «метод палеобарометра», придуманный американским геофизиком Т. Серлингом.
Комбинируя данные по изотопному составу кальцитов, гётита и древнего органического вещества, авторы смогли построить модель обмена СО2 между почвой, растениями и атмосферой. Все величины (их довольно много — пробы взяты из нескольких районов США, а относятся они к слоям с временными интервалами в 1 миллион лет) определены с довольно большой статистической ошибкой, но авторы использовали метод Монте-Карло, чтобы просчитать множество возможных вариантов при разных значениях исходных величин. Для оценки температуры поверхностных вод океана использованы данные по составу изотопов кислорода в раковинах Brachiopoda (плеченогих).
Суть метода основана на том, что в известняк, из которого состоят раковины, включаются два изотопа кислорода — обычный «легкий» 16O и более редкий «тяжелый» 18O, причем в том соотношении, в котором они находятся в окружающей морской воде. Когда вода с поверхности океана испаряется, а затем конденсируется и снова выпадает в виде осадков, молекулы ее, содержащие тяжелый изотоп 18O, возвращаются в океан быстрее, чем содержащие легкий 16O. Последние в значительно большем количестве уносятся на континенты, и в результате снег, выпадающий на ледники, всегда обеднен 18O. Чем больше наращивается масса ледников, тем сильнее обогащаются оставшиеся в океане воды более тяжелым изотопом 18O. Прослеживая за относительным содержанием изотопов 16O и 18O в известковых раковинах, можно судить о том, как изменялось на Земле соотношение массы свободной воды и связанной во льдах.
Изучение ископаемых остатков растений, произраставших в это время в тропических областях Лавразии, показало смену доминирующих форм, причем по мере потепления всё больше распространялись растения с ксероморфными (засухоустойчивыми) признаками, указывающими на их произрастание в засушливых местах обитания.
Углерод в океане
Океан является исключительно важным резервуаром углерода. Общее количество элемента в нём в 100 раз больше чем содержится в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться с углекислым газом с атмосферой, и посредством осаждения и растворения карбонатов с осадочным чехлом Земли. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах:
· неорганический углерод
o растворённый CO2
o HCO3-
o CO32-
· органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах
Гидросферу можно разделить на три геохимических резервуара: приповерхностный слой, глубокие воды и слой реактивных морских осадков, способных к обмену углекислотой с водой. Эти резервуары различаются по времени отклика на внешние изменения углеродного цикла.
«Петля Брокера» - Глобальный конвейер океанических течений, обеспечивающий вертикальное перемешивание водной толщи. Нынешняя система океанических течений представляет своеобразный единый глобальный конвейер – в высоких широтах Северной Атлантики происходит погружение холодной и плотной воды, которая распространяется в глубинных слоях вдоль всей Атлантики через экватор к высоким широтам Южной Атлантики, где смешивается с антарктическими глубинными водами, в дальнейшем двумя ветвями попадает в Индийский и Тихий океаны, уходя к северному полушарию, и по мере прогрева поднимается опять на поверхность, откуда переносится теплыми течениями опять в Северную Атлантику
Общую схему межокеанской циркуляции в 1980-х годах предложил американский океанолог Уоллес Брокер. Он назвал ее Глобальным океанским конвейером. От южной оконечности Гренландии холодная и соленая глубинная вода с Западным Пограничным течением движется на юг, где его подхватывает Антарктическое Циркумполярное течение, проходящее вдоль Антарктиды, и переносит в Тихий океан. Этот путь в 40 000 километров глубинная вода проходит примерно за 1500– 2000 лет.
