Доисторическая кліматологія

Доисторическая климатология

В. Миколаїв, кандидат географічних наук.

Введение

В 1961 року Всесвітня метеорологічна організація разом із Міжнародним агентством за «атомною енергії оголосили початок міжнародної наукової програми вивчення ізотопного складу атмосферних опадів. Передбачалося, що дощова вода містить у собі унікальну інформацію про процесів у атмосфери і зможе розповісти ученим багато що. Надії швидко справдилися — вже 3 роки датський професор Віллі Дансгор знайшов взаємозв'язок ізотопного складу атмосферних осадів та таких параметрів, як широта, довгота, висота над рівнем моря, віддаленість від узбережжя, температура приземного повітря на місці випадання опадів.

Время йшло, вчені продовжували дослідження, і на сьогодні створено банк даних, де зібрані середньомісячні показники ізотопного складу атмосферних опадів майже з 250 метеорологічних станцій світу, із яких 150 програма виконувалася щонайменше трьох років, але в 30 станціях — в протягом 30−40 років. На таких станціях- «довгожителів «тривалість ізотопних досліджень вже можна з змінами клімату (виявляється, цей період змінювався досить істотно: спекотні періоди поступалися місце холодним, а посушливі - вологим). Тривалі спостереження дозволили простежити взаємозв'язок довгострокових змін ізотопного складу атмосферних опадів із коливаннями температури і вологості приземного повітря.

К жалю, російські вчені активно підключилися до міжнародного програмі ізотопних досліджень недавно, тому перша карта ізотопного складу атмосферних опадів для більшу частину терені Росії побачила світ лише у 1998 року.

Какой клімат був сто, тисячу, мільйон років тому я? Сьогодні це питання дослідники цілком можуть однозначно відповісти. З допомогою ізотопного методу можна було відтворити клімат минулого, і дуже далекого, доісторичного.

В молекулі води можуть бути присутні різні ізотопи: радіоактивні (тритій — ДТ) і стабільні (протій — 1Н, дейтерій — 2Н) у водню і (16О, 17О, 18О) у кисню. У принципі так можна вимірювати співвідношення будь-яких ізотопів різних хімічних елементів, проте як мітки вчені вибрали відносне зміст стабільних ізотопів кисню. У природі існує три. Найбільш поширений — 16О (99,759%). Потім іде 18О (0,204%) і, нарешті, 17О (0,037%). Зрозуміло, що мала поширеність в природі ізотопу 17О створює додаткових труднощів під час проведення вимірів. Тому найзручнішим виявилося співвідношення концентрацій ізотопів кисню 18О/16O.

Как ж із цьому співвідношенню визначити кліматичні умови? Підхід до цьому завданні нескладний, і принцип ось у чому: різницю між масами ізотопів даного елемента визначає різну рухливість і окремих атомів, і молекул, які з різних ізотопів. Виявляється, що як легкі молекули мають більшої кінетичною енергією, ніж важкі, і більше рухливі. Тому, наприклад, при випаровуванні води із відкритою поверхні легкі молекули випаровуються насамперед, тобто пар збагачується ізотопом 16О проти рідкої фазою. У цілому нині при плавленні і випаровуванні лід виявляється збагаченим важкими ізотопами по порівнянню із жовтою водою, а вода збагатити вони за порівнянню з пором. У цьому співвідношення ізотопів у різних станах води залежить від температури, при якої протікали процеси випаровування / конденсації чи плавлення/ замерзання. Тому ізотопний склад атмосферних осадів та може бути індикатором як сезонних, і тривалих коливань температури приповерхностного шару атмосфери.

Полярные ледники

Изотопная (кліматична) мітка атмосферних опадів може зберігатися сотні тисяч літ у льоду полярних льодовиків й у вічній мерзлоті, ґрунтових карбонатах, фосфатах кісток ссавців, деревних кільцях.

По загальному визнанню, самі вражаючі відкриття останніх років у області палеоклиматологии зроблено при бурінні льодовикових щитів і дослідженнях крижаного керна у районах Гренландії і Антарктиди, де льодова поверхню практично будь-коли тане, отже, і у ній інформацію про температурі приземного шару атмосфери зберігається навіки. Спільно російських, французьких і американських учених удалося одержати дані про изотопному складу крижаного керна з сверхглубокой льодовій свердловини (3350 м) російській антарктичної станції «Схід ». Це дозволило тій чи іншій ступеня відтворити клімат нашої планети, щоправда, «лише «протягом останніх 420 тисячі років. Про ці результатах неоднократ але писали багато газет і журнали.

Так, за даними професора Казанського університету А. Соломатіна, середня температура у районі станції «Схід «за останні 420 тисяч літ коливалася приблизно від -54 до -77оС. Вчені виявили чотири кліматичних циклу «потепление-похолодание «з періодичністю близько 100 тисяч літ. Звісно, середньорічні температури на планеті змінювалися значно більш вузькому діапазоні, ніж у Антарктиді, але закономірності коливань клімату були такі ж.

Современная середньорічна температура у районі сверхглубокой льодовій свердловини становить -55,5оС. Це означає, що наш планета нині у «теплом «кліматичному періоді, причому, за оцінками науковців, потепління буде ще тривати 1−2 тисячі років, після чого клімат знову стане суровее.

Подземные льды

Если на полярних льодовиках який випав сніг спресовується у кригу без спотворень первинного ізотопного складу («изотопной мітки »), то тундрі - зоні вічної мерзлоти усе інакше. Сильні заметілі, танення і повторне замерзання, ізотопний обмін коїться з іншими породами — усе це призводить до того, що ізотопна картина «розмивається ». Проте і з складу льодів вічної мерзлоти можна скласти цілком чітку картину древнього клімату. Роботи російських учених показали, що середні значення температур приземного повітря на холодну пору року й відносне зміст ізотопних різновидів води грунтових льодів тісно взаємопов'язані. Тому ізотопний склад льодів вічної мерзлоти також із успіхом можна використовувати на реконструкцію палеоклимата, особливо зимового.

Так, дослідження, проведені автором статті, показали, що 18−20 тисяч років тому середні температури січня північ від Якутії на 25оС, а центральної Якутії на 15−20оС нижче, ніж у час.

Почвенные карбонаты

Атомы кисню входять до складу як молекул води, а й інших хімічних речовин, які у різних породах, наприклад солей вуглекислоти — карбонатів. Карбонаты багато є у грунті. У принципі так, як засвідчило американського вченого Церлинг, співвідношення ізотопів кисню в ґрунтових карбонатах значною мірою залежить від ізотопного складу метеорних вод, отже, по изотопам карбонатів можна будувати висновки про кліматичні умови того часу, коли утворилася грунт. Але такі носять піонерський характер, конкретних результатів поки мало.

Древесные кольца

Общеизвестно, що і копалини дерева представляють нам унікальну можливість дослідження минулого. Вона пов’язана, з одного боку, про те, що за кількістю і товщині кілець можна з’ясувати, як кліматичні, і геохімічні умови довкілля. З з іншого боку, за кількістю річних кілець приросту вдається з високим рівнем точності встановити вік деревини. Ширина ж річних кілець безпосередньо пов’язані з вологістю грунту, а отже, з кількістю що випали осадів та з температури повітря, а щільність деревини — з середньої температурою попереднього літа. Але, як з’ясувалося, відносне зміст ізотопів кисню в деревної целюлозі він може служити мірою вологості і температури довкілля. Проте задля кожної конкретної регіону потрібно проводити спеціальні дослідження, щоб виявити цю залежність. Отже викопна деревина — свого роду палеотермометр і палеогигрометр одночасно. Ось тільки «калібрування «цього природного універсального приладу залежить від місцеположення району земної кулі, де зростало доісторичне дерево.

Фосфаты кісток млекопитающих

Более 25 років тому італійський професор Антоніо Лонжинелли запропонував свій метод реконструкції клімату минулого: вивчення ізотопного складу кисню в копалин кістках ссавців. Головне припущення, де було грунтується метод, полягала у тому, що ізотопний склад кисню органів і тканинах ссавців визначається основному складом споживаної ними води. Але атоми кисню не лише у молекулах води, чи у всіх інших хімічних речовин, складових живий організм, в тому однині і в фосфатах (хімічна формула фосфат-аниона — PO43-). Тому повинна бути кількісна взаємозв'язок ізотопного складу кисню фосфатів кісток і зубів ссавців й середнього ізотопного складу місцевих метеорних вод.

Для перевірки гіпотези Лонжинелли провів ряд експериментів на пацюках. Їх напували водою, в різного рівня збагаченої ізотопом 18О. Аналіз фізіологічних рідин тварин показав, що ізотопи в організмі розподіляються рівномірно і тому між изотопным складом споживаної води та відповідним значенням для фізіологічних рідин організму пацюків є прямий залежність.

Затем дослідник провів аналіз фізіологічних рідин ланей, диких та розподіл домашніх свиней, що у різних районах земної кулі. Виявилося, що протягом одного регіону відносне зміст ізотопів кисню у крові цих тварин постійно. Аналогічну закономірність вчені встановили й у ізотопного складу крові людини незалежно від статі та віку: він залежав виключно від місця проживання людей, тобто не від змісту ізотопів в поверхневих природних водах цієї місцевості.

Также Лонжинелли з працівниками проаналізували ізотопний склад кісток і зубів груп людей, які проживають від Сомалі до південного сходу Гренландії. Для дослідження брали кістки як чоловіків, і жінок, причому ні спеціального відбору, ні відбракування кісток будь-якої частини скелета не вироблялося. Попри очевидні розбіжності у харчування й питво і можливості переміщатися великі відстані, отримані результати показали існування кількісної взаємозв'язку середнього ізотопного складу фосфатів кісток і місцевих природних вод. Схожа залежність виявилася й у оленів, лісових мишей та інших тварин.

Интересно, що для свійських тварин (свиней, корів, собак, кішок, коней) таких закономірностей виявлено був, мабуть, через використання штучних кормів (рибної і м’ясокісткової борошна, сухого молока, синтетичних протеїнів та інших.). Це виглядає якось дивно, бо людини залежності ізотопного складу кісток від харчування немає.

Данные ізраїльських учених Б. Луза і І. Колодного підтвердили висновок про незначною ролі харчування у формуванні ізотопного складу кисню рідин тіла ссавців, який, на думку, визначається виключно варіаціями ізотопного складу вод. Але тим щонайменше новозеландський велика рогата худоба, який тут вирощували виключно на природних кормах, показує тісну кореляцію значень відносного змісту ізотопів рідин тіла, і фосфатів кісток з изотопным складом атмосферних опадів, тоді як європейський (по крайнього заходу — французький і італійський), споживаючий штучні корми, такий залежності це не дає. Тож питання про вплив харчування на залежність ізотопного складу крові й кісток тварин від природних вод залишається нині дискусійним.

Научные дані, отримані італійськими вченими, дозволили іншим дослідникам вивести математичні залежності, котрі пов’язують відносне зміст ізотопів кисню в фосфатах кісток ссавців і атмосферних опадів, в людини і різних видів сучасних тварин: дикої свині, шляхетного оленя, лані, лісових мишей, великого рогатого худоби, вівці, всім п’яти існуючих нині видів коней, слона, кози, муфлона, козулі. Через особливостей перебігу процесів обміну речовин (зокрема і температури тіла) в різних видів ссавців залежності ізотопного складу кисню фосфатів і природних вод різняться. Але, з’ясувалося, у біологічно близьких видів відмінності, як правило, невеликі. Це дозволяє вживати встановлені залежності для реконструкцій клімату минулого по изотопному складу кісток вже вимерлих видів тварин (наприклад, використання «рівняння слонів «для копалин кісток мамонтів).

Некоторые тварини не підпорядковуються описаним вище закономірностям зовсім. Це ссавці, які п’ють воду або випивають її обмаль. До таких видам тварин ставляться кролики, північноамериканський белохвостый олень, кенгуру. Вони отримують вологу з рослинності, але, як зазначалося вище, ізотопний склад кисню листя часто значною мірою залежить від відносної вологості повітря, а чи не від змісту ізотопів у природних водах.

Итак, на сьогодні є можливість оцінити величини відносного змісту ізотопів кисню в метеорних водах й далекого минулого по відповідним значенням для фосфатів кісток древніх ссавців, мешканців ту давню епоху. Звісно, цих значень будуть середніми, оскільки тривалість життя, а отже, та палестинці час формування фосфату кальцію в кістках більшості ссавців становить кілька років. Але тут інше і погано, бо за усередненні зменшується внесок випадкових відхилень ізотопного складу споживаної тваринами воды.

Результаты исследований

В справжнє російські і італійські фахівці вивчають ізотопний склад кісток північних оленів. Кістки збирали в фінської і норвезькою Лапландії, на Шпіцбергені, на Новій Землі, у районах Західної Сибіру, на Таймыре й низка островів Північного Льодовитого океану.

Кроме того, вчені досліджували кісткові залишки великих ссавців (мамонтів, північного і шляхетного оленів, коней та інших видів звірів) з п’яти регіонів Росії: з місць стоянок древнього особи на одне Східно-Європейської рівнині й у Минусинской улоговині (містечко Красноярська), з районів палеонтологічних знахідок на Таймыре, з центральної Якутії, з Арктичного узбережжя і островів Північного Льодовитого океану. Радиоуглеродным методом вчені встановили вік кісток — він був у межах від 14 до 25 тисячі років для проб з Європейській частині Росії, від 13 до 21 тисячі років — для зразків у Південної Сибіру та від 10 до 50 тисячі років — для таймырских і якутських останків.

Используя відомі залежності, дослідники розрахували, який був середньорічний ізотопний склад кисню атмосферних опадів на часи, коли жили ці тварини. Паралельно проводили дослідження ізотопного складу якутської вічної мерзлоти — архіву древніх зимових атмосферних опадів.

В цілому пошуки російських і італійських фахівців є ще вже на початковій стадії збору палеонтологічних матеріалів і аналітичної обробки даних, але з тих щонайменше аналіз перших результатів дозволив зробити такі важливі висновки.

В епоху останнього зледеніння похолодання позначилося головним чином зимових температурах: середня зимова температура була нижчою від сучасної на 15−25 градусів, влітку було тепло схоже ж, як і він. Зростання грандіозного європейського льодовика, 17−20 тисяч років тому який досягав Валдайской височини, відбувався переважно з допомогою вологи, приходившей з Північної Атлантики, а чи не з тропіків, як і час. Близькість джерела вологи, і навіть західні вітри (з океану) дозволили сформуватися льодовиковому щиту «всього «протягом кількох тисяч літ. Несподіваним виявився висновок, що 17−25 років тому, як у Північній півкулі льодовики досягли свого «апогею «й почали поступово почали підтавати, на Російської рівнині й у Південної Сибіру клімат залишався досить стабільним.

Дополнительные ізотопні дослідження вуглецю (співвідношення 13С/12C) і азоту (15N/14N) кісток древніх тварин дозволили встановити, що майже 14 тисяч років тому на Російської рівнині й у Південної Сибіру раціоні травоїдних різко зросла частка тих соковитих кормів. Це з початком інтенсивного танення багаторічної мерзлоти і бурхливим зростанням луговий рослинності в улоговинах, які утворилися при вытаивании підземних льодів. У холодні епохи минулого мамонти Якутії, які жили у найбільш суворих умовах, споживали більше рослинних білків порівняно, наприклад, з мамонтами, котрі жили на Російської рівнині. Їм доводилося харчуватися гілками і листям чагарників і лишайниками, тоді в інших регіонах мамонти мали змогу є свій улюблене ласощі - соковиту траву.

В найближчих планах російських і італійських учених — вивчення ізотопного складу вовни мамонтів. Дослідники сподіваються, що це роботи дозволять реконструювати кліматичні умови, у яких жили гіганти льодовикового періоду, і навіть дадуть на запитання: «домосіди «були мамонти чи робили тисячокілометрові сезонні миграции?

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.