Антарктида: климат

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 134↑

09.09.2002 Хронометраж

34:00

Стенограмма эфира

В прошлом сезоне Вы смотрели программу, посвященную исследованиям в Центральной Антарктиде. Сегодня мы продолжим эту тему и поговорим о «глубоком бурении», позволяющем исследовать природные условия и климат прошлого. О том, почему бурение было приостановлено в 125 метрах от кромки подледного озера, — академик РАН Владимир Котляков и член-корреспондент РАН Игорь Зотиков.

Смотрите также выпуск № 102 «Антарктида».

Участники:

Владимир Михайлович Котляков — академик, директор Института географии РАН, почетный президент Русского географического общества.

Игорь Алексеевич Зотиков — член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института географии РАН, член Международной комиссии по научному исследованию Антарктиды.

Ключевые вопросы:

• Задачи глубокого бурения — исследовать прошлый климат и природные условия (температуру и состав атмосферы) на Земле на протяжении сотен тысяч лет.

• Станция Восток, ее открытие в 1958 г.

• Трудности бурения, исследование ледяного керна.

• Предварительный результат: на протяжении 400 с лишним тысяч лет климат на Земле принципиально не отличался от последней ледниковой эпохи, которая все еще продолжается на Земле.

• Современное потепление на Земле — его причины и перспективы, как они видятся при сравнении с данными из глубины веков.

• Бурение приостановлено в 125 м от кровли подледного озера — причины?

Обзор темы

Из истории вопроса. Антарктида — это гигантский материк, покрытый льдом. Если смотреть на него сверху, то он похож на круг с двумя-тремя выщерблинами, которые называются шельфовыми ледниками. Здесь море врезается немного в глубь материка.

Известно, что ледяной панцирь материка образовался за счет постоянного выпадения снега. Этот ледяной покров имеет форму гигантского каравая не очень густого теста. Это «тесто» представляет собой именно «каравай» льда диаметром примерно 4 тысячи километров, который непрерывно расползается под действием собственного веса в разные стороны по столу-материку. Поэтому у краев толщина ледяного обрыва примерно 300–400 метров, а в самой середине толщина льда достигает почти четырех километров.

Каким образом атмосферный воздух попадает в лед? Снег на поверхности под прессом нового постепенно превращается в фирн, снежные поры захлопываются. И воздух, примерно 20% объема, оказался «замурованным» в толще льда. Законсервированный воздух из-за непрерывного глубинного таяния постоянно высвобождается вместе с какими-то частичками спор, микроорганизмов из снега. Таким образом, есть тепло, немножко питания и воздуха — значит возможна и жизнь.

В начале 1960-х гг., профессор Дансгор (Голландия) разработал метод, который позволял определять температуру льда в момент его образования: если из скважины любой глубины получить кусочек льда, то можно утверждать, что температура этого кусочка определяется режимом самой толщи льда. Известно, что он образовался как лед на поверхности тысячи и тысячи лет назад и в момент образования он обменивался с окружающей средой стабильными изотопами кислорода-18 и кислорода-16, причем обменивался совершенно определенным образом, в зависимости от температуры на поверхности. Поэтому тот лед (или снег) на поверхности отражал в своем изотопном составе температуру этой поверхности. Затем в процессе герметизации лед, постепенно оседая вниз, сохранял — раз отсутствовали условия для обмена — исходный изотопный состав. Так стало возможным определить температуру, которая была в момент образования льда, то есть тысячи, десятки тысяч и даже сотни тысяч лет назад. Расчетным путем с достаточной степенью точности можно также определить глубину времени, на которую прослеживается температурные параметры: зная, сколько выпадает снега — около четырех сантиметров в год, и учитывая, что каждый кусочек льда постепенно сжимается, можно построить кривую соотношения между глубиной и возрастом льда.

Глубокие скважины на ледниках. Первую скважину во льду пробурили в Альпах еще в 1841 г., а в 1899–1901 гг. несколько скважин здесь уже достигали ледникового ложа. Массовое бурение ледников относится ко времени МГГ — 1957–1959 гг. В 1957 г. — бурение первой глубокой (370 м) скважины недалеко от станции Мирный в Антарктиде.

Бурить лед очень нелегко из-за его пластичности. Стоит вынуть буровой снаряд, как стенки скважины быстро смыкаются. Поэтому скважину приходится заполнять незамерзающей жидкостью, которая имеет ту же плотность, что и лед. Обычно для бурения применяются либо электромеханический, либо термический способы, когда лед плавят нагреваемой коронкой. В обоих случаях извлекается керн диаметром около 10 см, причем за один «рейс» бурового снаряда получается колонка льда длиной 2–3 м.

Первой глубокой скважиной на полярном ледниковом покрове стала пробуренная гляциологами скважина на станции Кемп-Сенчури в северо-западной Гренландии США. Здесь в 1960–1966 гг. была пройдена вся ледниковая толща (1370,5 м), и бур углубился еще на 3,5 м в мерзлый грунт. При этом самый холодный лед (с температурой −24,6°) залегал на глубине 154 м, а у ледникового ложа температура льда составила −13 °С.

В 1966–1968 гг. таким же электромеханическим буром была пройдена скважина на станции Бэрд в Западной Антарктиде, достигшая ложа на глубине 2164 м. Здесь самая низкая температура льда (−28,8 °С) была отмечена на глубине 800 м, а у ложа лед имел температуру плавления (−1,6 °С). Доказательства существования жидкой воды подо льдом не заставили себя ждать: она появилась, как только скважина достигла ложа и ее уровень быстро поднялся на 60 м над дном скважины.

Начиная с 1970-х гг. реализуется обширная программа глубокого бурения Гренландского ледникового покрова. Работы ведутся на вершине главного ледникового купола, возвышающегося на 3235 м. По данным радиозондирования, толщина льда здесь составляет 3100–3200 М; такая толща могла отложиться за 200–500 тыс. лет.

В программе глубокого бурения в Гренландии участвуют и американские и европейские ученые. Параллельная проходка ими двух скважин на расстоянии 20 км друг от друга имеет большое научное значение: повышается достоверность получаемых данных, появляется возможность исключить случайные, местные факторы и сосредоточиться на глобальных. Наконец, будет получено больше керна, что позволит выполнить, а при необходимости повторить многочисленные анализы.

Но самые значительные результаты пока принесло бурение глубокой скважины на станции Восток, начатое Советской антарктической экспедицией еще в начале 70-х годов. Станция Восток расположена в центральной части Восточной Антарктиды на высоте 3490 м над ур. моря. Средняя годовая температура здесь −55,5 °С, осадков за год накапливается около 20 мм. Толщина льда близка к 3700 м, таким образом, вся толща содержит лед, отложенный на протяжении сотен тысяч лет, что крайне важно для палеогеографических реконструкций.

Бурение на станции Восток. Из истории станции. Когда в 56-м году был объявлен Международный геофизический год (МГГ), основные страны, которые начали исследовать Антарктиду, в том числе Советский Союз, получили задания от руководства международной программы. Одним из них было открыть береговую станцию «Мирный» и, используя ее как трамплин, поставить внутриконтинентальную станцию.

Возник вопрос, где конкретно ставить эту станцию? Если от «Мирного» идти меридианом к Южному полюсу, то на расстоянии примерно тысячи километров от берега будет географическая точка, которая называется Южный геомагнитный полюс. Решено было поставить станцию прямо на этом полюсе. В первый год удалось продвинуться вглубь Антарктиды всего на 300 километров — станция «Пионерская». Никто никогда еще не был в центральных областях Антарктиды. Первая же зимовка на «Пионерской» показала, что условия для выживания и тем более работы людей там экстремальные, хотя высота над уровнем моря всего около 1000 метров. Дело в том, что точка Южного геомагнитного полюса, является еще и так называемым полюсом холода (зафиксирована температура минус 88,3 градуса Цельсия). По многим параметрам условия в районе станции «Восток» сопоставимы с космическими: повышенная ионизация вoздyxa, низкие температуры, высотность. Парциальное давление газов в воздухе там отличается от состава привычного для нас воздуха. Профессор Александр Михайлович Гусев считал, что там не хватает углекислого газа, потому что углекислый газ вымерзает, выпадает в твердую фазу. А углекислый газ нужен для того, чтобы нормально работали тонкие механизмы регуляции дыхания.

Осенью следующего года руководитель экспедиции Алексей Федорович Трешников — известный полярный исследователь, который был начальником еще одной из первых станций «Северный полюс» продолжил двигаться дальше вглубь материка — санно-тракторный поезд должен был пройти как можно дальше, желательно до Южного геомагнитного полюса, и поставить там станцию. С приближением зимы было принято решение основать некую промежуточную станцию «Комсомольская».

И только в 1957 году экспедиция во главе с Трешниковым, преодолела заданное расстояние и станция «Восток» в виде нескольких сдвинутых балков-саней с маленькими домиками была объявлена открытой. Постепенно были налажены минимально необходимые системы жизнеобеспечения и станция стала приобретать все большее научное значение. С 1967 года началось исследовательское бурение в районе станции, с 1970 — глубокое бурение льда.

Разработка оборудования и технологии глубокого бурения принадлежит специально созданной под эту проблему кафедре в прошлом Ленинградского Горного института во главе с профессором Борисом Борисовичем Кудряшовым.

Почему бурение началось именно в районе «Востока»? Существовала предварительная гипотеза, что в этом месте самый толстый ледяной покров на Земле. Толщина льда — больше трех тысяч метров. Естественным было желание ученых получить и исследовать колонку этого льда на разных глубинах. Кроме того, имелось предположение, что в массиве льда могут существовать какие-то формы жизни.

Возраст и температура глубинного льда. С увеличением глубины все труднее определить абсолютный возраст льда. В верхней части толщи, отложившейся за последние несколько тысяч лет, это делают без особого труда, подсчитывая годовые слои, каждый из которых состоит из зимних и летних отложений, различающихся по структуре, плотности, запыленности. Такие различия были подмечены В. М. Котляковым еще в 1957 г. в снежной толще на станции Комсомольская, лежащей в глубине Антарктического континента. Возраст льда в верхней части толщи помогают определить и маркирующие горизонты, хранящие следы глобальных событий: крупных вулканических извержений, ядерных взрывов в атмосфере (последний такой слой в льдах Арктики образовался в результате Чернобыльской катастрофы).

Однако с глубиной эти зримые различия сглаживаются, и для датирования более древнего льда приходится использовать численное моделирование его растекания. Исходными данными при расчетах служат скорость накопления снега, температура и вязкость льда, скорость его движения и рельеф ложа. В моделях течение льда считают стационарным.

Для подобной динамической модели хорошо подходят условия станции Восток. Довольно правильное соотношение глубины и возраста здесь связано с тем, что дно скважины еще далеко от придонных слоев льда, где возможны осложнения, вызываемые движением и деформациями льда. Точность определения возраста на глубине 2755 м составляет 6–10 тыс. лет. Для изотопных исследований использовалась сплошная колонка образцов льда, для других анализов образцы длиной 1,5–2 м отбирались через каждые 25 м.

Таким образом, керн из района станции Восток охватывает голоцен (последние 10 тыс. лет), последнюю — валдайскую, или вюрмскую — ледниковую эпоху (10–120 тыс. лет назад), микулин-ское, или рисс-вюрмское межледниковье (120–140 тыс. лет назад), предпоследнее — днепровское, или рисское оледенение (140–220 тыс. лет назад). На сегодня это единственная в мире колонка льда, охватывающая два последних ледниково-межледниковых цикла.

Основа для определения палеотемператур — анализ соотношения стабильных изотопов во льду. Дело в том, что в природе оба химических компонента воды — кислород и водород — содержат не только обычные изотопы, но и немного тяжелых. Содержание тяжелых изотопов в воде или во льду зависит от испарения и конденсации, которые, в свою очередь, определяются температурой и различием физических свойств молекул.

В результате изотопный состав отложенного снега зависит от температуры его формирования. Используя эти соотношения, изотопную кривую легко преобразовать в температурную. Изотопные данные свидетельствуют, что колебания температуры за последнее тысячелетие достигали 1,5–2 °С. Теплыми были XII, XVI и XX вв., холодными — XIII–XV и XVII–XIX вв.; последний холодный интервал получил название малого ледникового периода.

Изотопный профиль в районе станции Восток, почти не искаженный течением льда, детально характеризует температурные условия в полярных областях за 240 тыс. лет. Последняя ледниковая эпоха характеризуется тремя температурными минимумами около 20, 60 и 110 тыс. лет назад. Пик межледниковья приходится на 130 тыс. лет назад. В предпоследнюю ледниковую эпоху колебания температуры были меньше, чем в последнюю ледниковую эпоху. В Центральной Антарктиде весь этот период был почти так же холоден, как и последний ледниковый максимум, т. е. примерно на 6° холоднее голоцена.

Атмосферные осадки и аэрозоли. Второй после температуры важнейший климатический параметр — количество атмосферных осадков — также менялся во времени, поскольку связан с температурным фоном планеты. Современная интенсивность накопления снега на больших ледниковых щитах зависит от количества водяного пара, циркулирующего над слоем инверсии, т. е. выше охлажденной льдом воздушной толщи. При этом количество водяного пара пропорционально температуре снежно-ледяной поверхности, т. е. с понижением температуры содержание влаги в атмосфере уменьшается. Простой расчет показывает, что в ледниковые эпохи осадков выпадало меньше и соответственно снега на поверхности ледника накапливалось на 50% меньше по сравнению с настоящим временем.

Другой способ оценки накопления осадков базируется на измерении содержания во льду долгоживущего радиоактивного изотопа бериллия, имеющего космическое происхождение. Его концентрация одинакова в обоих межледниковьях, но возрастает в ледниковые эпохи (примерно вдвое в кульминации оледенения). Исходя из того, что поток отлагающегося на Земле радиоактивного изотопа бериллия постоянен, мы приходим к выводу, что его концентрация в ледяном керне обратно пропорциональна количеству накопленного снега.

Результаты расчета накопления снега обоими методами согласуются между собой. Значит, в ледниковые эпохи в полярных областях снега отлагалось вдвое меньше, чем ныне.

Это заключение нельзя признать неожиданным, ибо еще Р. Скотт и другие ученые в начале века утверждали, что при глобальном потеплении увеличивается испарение с поверхности океана и количество выпадающих осадков, а при похолодании количество осадков уменьшается. К тому же в ледниковые эпохи массивы льда в океане разрастались, удаляя источники водяного пара от ледниковых щитов.

С другой стороны, для ледниковых эпох характерны не только общее похолодание, но и резкое усиление контрастов между разными широтами, между сушей и океаном и, следовательно, рост энергии океанских и атмосферных процессов. В периоды глобальных похолоданий усиливались океанические и атмосферные течения, активизировались циклонические процессы на границе ледниковых покровов.

Доказательства более сильной атмосферной циркуляции в ледниковые эпохи принесли результаты измерений концентраций континентальных и морских аэрозолей в ледяном керне из скважин (типичный представитель первых — аэрозоли алюминия, вторых — аэрозоли натрия). Концентрации и тех и других возрастают в ледниковые эпохи: на станции Восток концентрация континентальной пыли в плейстоценовом льду в 30 раз больше, чем в голоценовом, а морских аэрозолей — в 5 раз. Во льду, отложенном в периоды похолоданий, увеличивается и общее количество нерастворимых микрочастиц.

Подобные различия можно объяснить замедлением накопления снега в холодные эпохи, но это не главная причина. Пожалуй, главное — усиление ветров из-за роста межширотных контрастов. Важную роль играли и общее опустынивание предледниковых областей, и их расширение из-за осушения шельфов при эвстатическом снижении уровня моря, так как часть воды шла на формирование ледниковых покровов.

Таким образом, все химические индикаторы, исследованные в ледяном керне, приводят нас к выводу о резком росте запыленности атмосферы и усилении меридиональной циркуляции в ледниковые эпохи, что связано с увеличением разницы температур между экваториальной и полярными областями. Но запыленность атмосферы сама служит мощным климатообразующим фактором: увеличение количества пыли и аэрозолей при похолоданиях способствует их усилению.

Древняя атмосфера во льду. Когда фирн превращается в лед, атмосферный воздух замыкается в пузырьках. Поэтому, выделяя его из керна, можно узнать прошлый состав атмосферы и, в частности, содержание в ней парниковых газов. Но когда таяние почти отсутствует, поры закрываются медленно: в Центральной Антарктиде этот процесс длится до 4 тыс. лет. Так что, исследуя воздух из образцов древнего льда, мы определяем состав атмосферы, более молодой, чем при отложении на поверхности снега, образовавшего этот лед. Современная техника анализов позволяет извлекать из льда и измерять с большой точностью ряд газовых примесей, прежде всего углекислый газ и метан.

Эти газы называют парниковыми, так как они пропускают коротковолновое излучение Земли, но задерживают значительную часть ее теплового излучения, что ведет, как и в парнике, к повышению температуры.

Анализ керна из глубоких скважин показал, что в максимуме валдайского оледенения концентрация СО₂ была на 25% ниже, чем в голоцене (соответственно 190–200 и 260–280 миллионных частей по объему). Очевидно, первый уровень типичен для эпох оледенения, а второй — для теплых интервалов.

По керну со станции Восток выявлено соответствие изменений концентрации СО₂ и температур, вычисленных по изотопным данным. Это первое прямое доказательство тесной связи содержания углекислого газа в атмосфере и изменений климата на протяжении двух климатических циклов. При более детальном рассмотрении кривых заметно, что если при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО₂ и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура.

Тесная корреляция изменений температуры и содержания CО₂ на протяжении обоих ледниково-межледниковых циклов, очевидно, свидетельствует о наличии причинно-следственной связи. Однако где здесь причина, а где следствие, из этих данных не вытекает. Многие специалисты считают причиной изменение концентрации углекислого газа, но отмеченное запаздывание ее изменений как будто свидетельствует о первичности изменений температуры, за которыми следуют изменения СО₂, в свою очередь усиливающие температурные колебания.

Реальным фактором такого усиления может быть влияние океана с его меняющимися циркуляцией, распространением льдов и биопродуктивностью. В частности, значительная часть атмосферного CO₂ при похолоданиях могла поглощаться фитопланктоном, масса которого резко возрастала в результате активизации апвеллинга и улучшения условий питания морской микрофлоры. Анализ керна со станции Восток позволяет также предполагать, что на разных этапах главную роль могли играть разные механизмы взаимодействия температуры и углеродного цикла.

Содержание другого углеродного соединения — метана — в древней атмосфере также тесно связано с ходом палеотемператур. Резкие изменения концентрации метана приходятся на оба ледниково-межледниковых перехода: 150–135 и 18–9 тыс. лет назад. В эти периоды температура резко возрастала: от 350–400 в разгар оледенений до 600–700 миллиардных частей в межледниковые оптимумы. Для валдайской ледниковой эпохи характерны четыре максимума содержания СН₄ во время относительно теплых интервалов, что не так заметно в ходе изменений СО₂.

Различия, скорее всего, обусловлены происхождением СО₂ и СН₄. Если содержание СО₂ в атмосфере в основном зависит от процессов в океане, то источники CН₄ находятся на суше: это сильно увлажненные территории, залежи углеводородов, включая газогидраты, колонии термитов и т. п. В частности, резкий рост количества атмосферного СН₄ после окончания ледниковых эпох мог вызываться тем, что газ из гигантских газогидратных месторождений, закупоренный на полярных континентальных шельфах мощными ледниковыми покровами, после их стаивания вырывался наружу.

Детальные исследования ледяного керна показали, что вклад парниковых газов в изменение температуры в Центральной Антарктиде за последние климатические циклы может колебаться в пределах 50 ± 10%. Это означает, что приблизительно 3 °С из 6 °С — амплитуды ледниково-межледниковых изменений — могут быть обязаны парниковому эффекту.

Перспективы исследования. Хотя полного понимания причин и следствий климатических и атмосферных флуктуации пока нет, надо отдавать себе отчет в том, что процессы, формирующие атмосферные обратные связи, протекают независимо от исходных причин климатических изменений и ныне мало отличаются от тех, что имели место в ледниковую эпоху. Поэтому данные, полученные для прошлого, можно использовать для прогнозирования будущих изменений природной среды.

Многолетнее бурение на станции Восток сопровождалось авариями, обрывами кабеля и потерей буровых снарядов. Все это прерывало бурение, которое возобновлялось в расположенной поблизости новой скважине. К настоящему времени пробурено пять глубоких скважин, основная информация получена из трех последних: ЗГ, 4Г и 5Г. Бурение скважины 4Г остановлено в 1989 г. на глубине 2546 м из-за потери бурового снаряда и кабеля. Новую скважину начали в 1990 г., и к сентябрю 1993 г. ее глубина достигла 2755 м. Ледяной керн, обработанный до этого уровня, позволил распространить данные о палеоклимате на 240 тыс. лет, т. е. охватил два последних климатических цикла.

Последний раз бурение было прекращено в 1998 г. по решению было принято на заседании SCAR (Scientific Counsil for Antarctic Research) — международного научного комитета по антарктическим исследованиям. Причиной стало открытие гигантского подледникового озера «Восток». История и проблемы, связанные с этим открытием заслуживают отдельного внимания.

В настоящее время скважина, пробуренная над ним в толще льда, остановлена на глубине 3623 м (всего в нескольких десятках метров от озера) из-за опасности нестерильного отбора проб, способного повредить уникальную реликтовую систему озера. При всех существующих на сегодня разногласиях по поводу способов решения проблемы, в научном сообществе есть согласие в главном пункте: продолжение работ возможно только при условии разработки оптимальных технологий сохранения вод подледникового озера «Восток».

Вопросы для дискуссии:

• Анализ древней атмосферы в ледяном керне показал, что эпохе теплого климата соответствует высокое содержание парниковых газов, а эпохе холодного климата — низкое его содержание. Техногенное воздействие человека здесь, естественно, исключено.

• Что первично? Если учесть, что высокая температура приводит к повышенному уровню парниковых газов, но возможен и обратный процесс, поскольку высокое содержание парниковых газов также приводит к повышению температуры.

• Как знания о закономерностях циклов древнего климата может быть спроецировано на изучение климатических колебаний на Земле сегодня?

Библиография

Барков Н. И., Котляков В. М., Николаев В. И. и др. Эволюция термических условий Центральной Антарктиды за 150 тысяч лет//МГИ. 1987. Вып. 59.

Барков Н. И., Короткевич Е. С., Котляков В. М. и др. Последний климатический цикл Земли//МГИ. 1992. Вып. 73.

Гросвальд М. Г., Лориус К., Котляков В. М. Климаты прошлого из глубины ледниковых щитов. М.: Знание (серия «Науки о Земле»), 1991. № 12.

Котляков В. М. Скважина на станции Восток рассказывает о прошлом климате Земли/Глобальные изменения природной среды и климата. М., 1977.

Котляков В. М. Глобальные изменения природы в «зеркале» ледяного керна//Природа. 1992. № 7.

Котляков В. М., Лориус К. Климат предпоследней ледниковой эпохи по данным антарктического ледяного керна//Изв. РАН: Серия геогр. 1993. № 6.

Котляков В. М. Мир льда и снега. М.: Наука, 1994.

Котляков В. М., Лориус К. Данные глубокой скважины на станции «Восток» характеризуют два полных климатических цикла//Изв. РАН: Серия геогр. 1997. № 2.

Лориус К., Котляков В. М. Изменения климата за последний ледниково-межледниковый цикл по данным ледяных кернов//Изв. АН СССР: Серия геогр. 1989. № 4.

Basile I., Jouzel J., Kotlyakov V. M. and others. Four climate cycles in Vostok ice core//Nature. 1997. N. 387.

Barkov N. I., Benoist J. P., Jouzel J. and others. A comparison of deep Antarctic ice cores and their implications for climate between 65,000 and 15,000 years ago//Quaternary Research. 1989. V. 31. N. 2.

Kotlyakov V. M., Jouzel J., Waelbroek C. and others. Climatic interpretation of the resently extended Vostoc ice records//Climate Dynamics. 1996. N. 12. V. 8.

Kotlyakov V. M. Climate change and the future of the human environment//Intern. Social Science Journal. 1996. N 150.

Тема № 134

Эфир 09.09.2002

Хронометраж 34:00

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz