Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд Страница 67

с Кордильерским ледниковым щитом, занимавшим площадь 2,5 миллиона квадратных километров и накрывшим горы западной Канады до Сиэтла). Этот гигантский ледник начал формироваться 75 000 лет назад и наряду с крупными ледниками в Сибири и Северной Европе, а также меньшими в Патагонии и Гималаях содержал достаточно воды, чтобы понизить глобальный уровень моря более чем на 120 метров. В главе 11 мы уже говорили, что толчком и к этому событию, и к тем, которые ему предшествовали, стали изменения в нагреве Земли со стороны Солнца, вызванные сменой параметров земной орбиты. Впрочем, эти события не стали бы столь драматичными, если бы их не сопровождали сильные обратные эффекты на поверхности планеты.

Потом лед начал таять. Наклон оси Земли перемещался к максимальной величине, а цикл прецессии подходил к фазе, когда летом Северное полушарие оказывалось максимально близко к Солнцу, а эллиптичность орбиты приближалась к локальному максимуму. Все три эффекта вели к тому, что солнечный свет более интенсивно падал на крайний север. Оптимальные условия были достигнуты чуть менее чем 12 000 лет назад, когда ледниковые щиты разрушались окончательно, хотя началось это еще на 6000 лет раньше.

Легко подсчитать, насколько изменилась солнечная энергия, достигающая северных ледниковых щитов. Ее слишком мало, чтобы растопить весь лед. Но, как мы видели в главе 11, вместе с повышением температуры в атмосфере быстро растет и уровень CO2. За следующие 5000 лет температура в Гренландии выросла почти на 9 °C, а концентрация CO2 в воздухе – со 180 ppm до 280 ppm. Весь этот дополнительный CO2 еще больше нагрел Землю из-за парникового эффекта (глава 11), в то время как земная поверхность, еще недавно скрытая льдами, поглотила больше солнечной энергии, чем отражающий лед, что создало петлю положительной обратной связи, которая, в свою очередь, привела к постоянному ускорению нагрева. Но было ли этих эффектов достаточно?

Скорее всего, нет, и это предполагает, что потребовались дополнительные петли обратной связи. Десять лет назад Дж. Дентон и его коллеги опубликовали комплексную модель, призванную описать конец последнего ледникового периода, и попытались принять во внимание сложные взаимодействия льда, воздуха, океанов и солнечного света7. Для более четкого представления о невероятно важном периоде, охватившем время от 20 000 до 10 000 лет назад, они собрали впечатляющую коллекцию уже знакомых нам изотопных, атомных и молекулярных показателей. Это были и соотношения 18O/16O, измеренные в гренландском льду для установления температуры, а также в китайских спелеотемах и техасских пещерах, чтобы прояснить уровень осадков; и соотношения 2H/1H из антарктического льда, ставшие показателем температуры и концентрации атмосферного CO2; и липиды глицерол-диалкил-глицерол-тетраэфира (GDGT) из глубоководных кернов из Северной Атлантики и у берегов Австралии, позволявшие определить температуру поверхности моря. Исследователи добавили и нового «посредника»: им стало соотношение Протактиния‐231 и Тория‐230 из керна у Бермудских островов, благодаря которому можно было выявить изменения в схеме циркуляции океана. И 231Pa, и 230Th с постоянной скоростью производятся в морской воде в ходе следующих распадов:

235U →231Th + α → 231Pa + e— + νe***, а также 234U → 230Th + α;

(t½ = 7 × 108 лет) (t½ = 25 лет) (t½ = 2,5 × 105 лет)

Их соотношение в морской воде 231Pa/230Th = 0,093. Оба прикрепляются к частицам воды, которые оседают на дно, но Протактинию для этого требуется в десять раз больше времени, поэтому он легко уносится глубинными течениями Атлантики еще до осаждения, из-за чего соотношение Pa/Th в отложениях понижается. Если глубинные течения прекратятся, оно вернется к значению 0,0938.

Кроме того, исследователи также измеряли летнюю температуру в Патагонии на основе размеров ледников; изучали отложения мусора на дне океана, выпавшие из тающих айсбергов у побережья Португалии; и добывали опалы на морском дне неподалеку от Австралии. Опалы – это обычный кремнезем (Кремний и Кислород – SiO2) с небольшим количеством воды (H2O) (обычно от 6 до 10 %). Диатомеи, одноклеточные водоросли, при помощи ортокремниевой кислоты (H4SiO4), содержащейся в морской воде, создают крошечные опаловые раковины, которые, как и раковины фораминифер, накапливаются в океанских отложениях. Интенсивнее всего этот процесс идет в Южном океане, где имеет место сильный апвеллинг, переносящий питательные вещества (особенно Кремний) на поверхность, где их могут использовать водоросли. Поэтому содержание опалов в глубоководных кернах, как и соотношение Pa/Th, позволяет выявить схемы океанической циркуляции9.

Эти десять «посредников» демонстрируют сложную картину, которая раскрывает перед нами самые важные события, произошедшие от 20 000 до 10 000 лет назад, когда началось разрушение огромных ледниковых щитов. Было два периода, один из которых охватывал время от 18 000 до 14 500 лет назад, а второй, более короткий – от 12 800 до 11 500 лет назад, и на их протяжении температура в Северном полушарии на самом деле снизилась, а количество осадков сократилось, поскольку большие части Северной Атлантики замерзали зимой. Однако в южном полушарии и CO2, и температура росли. У берегов Австралии температура поверхности моря повысилась с 11 °C до 16 °C в первый период и почти до 20 °C во второй, а уровень CO2 к концу второго периода вырос со значения в 185 миллионных долей, соответствующего ледниковому периоду, примерно до значения, предшествующего индустриальной эпохе (280 ± 15 ppm). В это же время резко менялась циркуляция вод мирового океана, и многие течения просто останавливались. Более короткий и более поздний период, охватывающий 1300 лет, поздний дриас (продолжительность которого была недавно установлена с замечательной точностью благодаря радиоуглеродному датированию и дендрохронологии и составила 12 807 ± 12 лет до настоящего времени)10 показывает, что для одного из наших температурных «посредников», соотношения 18O/16O, было характерно внезапное снижение на 0,7 % в начале периода и настолько же резкий рост в конце, причем оба перехода заняли менее чем несколько десятилетий (отрезвляющая мысль – сегодня такое быстрое изменение климата будет иметь разрушительные последствия).

Исследователи интерпретируют все эти данные в контексте модели, основанной на изменениях в циркуляции вод океана. С началом таяния огромных северных ледяных щитов в океан между Исландией и Норвегией проникло огромное количество пресной воды. Именно там протекает Гольфстрим, теплое соленое течение, которому в наши дни наконец-то удалось достаточно остыть, чтобы эта вода ушла в глубины, что, в свою очередь, определяет циркуляцию вод мирового океана. Стремительное вливание пресной воды с Европейского и Лаврентийского ледниковых щитов сделало воду Гольфстрима не столь соленой и, следовательно, менее плотной, поэтому лед не мог затонуть, из-за чего циркуляция океанских вод прекратилась. Теплая вода перестала идти к Северной Атлантике, и зимой та замерзла, отчего в Северном полушарии резко похолодало. Однако в Южном океане таяние морского льда вокруг Антарктиды