Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд
Более того, крошечные пузырьки воздуха, замороженные во льду, позволяют нам понять, какой была земная атмосфера на момент их возникновения – как если бы у нас был дальновидный химик, который собирал бы ампулы с газом каждый год на протяжении тысячи тысячелетий, датировал их и оставлял бы для нас. Кроме того, лед фиксирует радиоактивные изотопы, возникшие под влиянием космических лучей, что позволяет нам оценить активность Солнца на протяжении периода, охват которого в сто раз превышает пределы летописи годичных колец. Тонкие отложения вулканической пыли от далеких извержений позволяют нам расширить хронику геологической истории нашей планеты, а грязь из таких далеких регионов, как пустыня Гоби, обнаруженная во льдах Гренландии, указывает на усиление и ослабление штормовых условий. Некоторые даже предполагали, что в ледяной летописи могут присутствовать изотопы от ближайших взорвавшихся звезд.
Чтобы прочесть эту историю, очень долгую и полную драматических событий, мы просто пробуриваем во льду вертикальную шахту и извлекаем керн диаметром около 10 см и длиной от одного до нескольких метров. Керны каталогизируются и часто временно хранятся в снежной пещере, вырытой недалеко от места бурения. В конце концов их перемещают в постоянное место хранения, например, в хранилище ледяных кернов Национального научного фонда в Лейквуде, штат Колорадо, где в помещении объемом 1560 кубических метров при температуре –36 °C содержится 17 километров льда. Именно сюда приезжают ученые со всего мира, чтобы извлечь образцы из ядер и изучить множество оберегаемых ими тайн.
Один из важных параметров, который нам удается узнать благодаря льду – история температуры на протяжении долгого времени. Как и при работе с деревьями, мы используем соотношения тяжелых и легких изотопов Кислорода и Водорода. Венский стандарт определяет начальное значение в океане, из которого вода испаряется, образуя облака. Как отмечалось выше, более тяжелому изотопу 18O немного сложнее освободиться от своих жидких соседей, поэтому в возникающих облаках соотношение 18O/16O примерно на 0,8–1,0 % ниже, чем в воде, из которой они появились. По мере того как облако дрейфует на север или юг и остывает, его водяной пар снова конденсируется в капли дождя. Более тяжелые и медленно движущиеся молекулы воды, содержащие 18O, уплотняются быстрее и выпадают раньше, в результате чего в облаках становится еще меньше тяжелого изотопа. К тому времени, когда они достигают Гренландии или Антарктиды, содержание 18O в выпадающем там снеге может быть на 5,0 % ниже.
Конечно, точные значения зависят от температуры: чем она выше, тем быстрее колеблются молекулы H2 18O и тем легче им освободиться и взлететь. При ее повышении на каждые 1,5 °C содержание 18O увеличивается примерно на 1 миллионную долю, или на 0,05 % от обычного значения. Такое изменение легко измерить, поэтому мы можем восстановить среднюю температуру с точностью до доли градуса по всей длине керна, даже если он возник 800 000 лет тому назад, как керн с «Купола С», добытый в ходе Европейского проекта по отбору ледяного керна в Антарктиде (EPICA)19. Это соотношение в недавно образовавшемся льду на 3,4 % ниже стандартного, в то время как на пике последнего ледникового периода, который пришелся на время от 25 000 до 30 000 лет назад, оно было на 4,6 % ниже нормы20. Это соответствует глобальному изменению температуры примерно на 10 °C. Величины для Гренландии и Антарктиды, хотя и получены в разных частях океана, прекрасно соответствуют друг другу; наибольшее расхождение составляет 0,05 %, а более типичное – менее 0,015 % (или 0,4 °C).
Еще один невероятно важный показатель, измеренный в ледяных кернах, – это состав атмосферы в захваченных воздушных пузырьках. Один пузырек диаметром 1 мм содержит около 10 000 триллионов молекул воздуха, поэтому даже следовые компоненты (например N2O, содержание которого составляет 0,3 миллионной доли) будут представлены миллиардами молекул. Благодаря этому мы можем с высокой точностью измерить состав. Результаты поразительны. Например, уровень метана, сильнодействующего парникового газа, увеличивался и уменьшался каждые 100 000 лет синхронно с тем, как менялась форма орбиты Земли, и его доля варьировалась от 400 до 600 миллиардных долей. Но примерно в 1820 году его количество начало резко возрастать, и сегодня его концентрация составляет 1920 миллиардных долей – иными словами, она возросла на 380 %21. Картина с N2O аналогична, хотя и с более скромным увеличением на 30 %.
Интереснее всего обстоит дело с CO2. За последние 450 000 лет его минимальная концентрация на пике ледникового периода составляла 180 миллионных долей (и оставалась неизменной в течение последних четырех 100 000-летних циклов с точностью до 2 %). После достижения этого минимума наблюдается быстрый (по геологическим меркам) рост до 280 миллионных долей. Затем, в течение нескольких тысяч лет, он начинает снижаться к следующему минимуму, с рядом отклонений и колебаний. Однако примечателен тот факт, что, если мы поместим температуру, о которой могли судить по хронике изменений 18O, и концентрацию CO2 на одном и том же графике, они почти идеально совпадут (см. рис. 11.3)22. В этих флуктуациях видна характерная «подпись» всех трех орбитальных циклов – прецессии через каждые 23 000 лет, изменения наклона оси по прошествии 41 000 лет и преобладающего изменения формы орбиты через каждые 100 000 лет.
Рис. 11.3. История климата Земли за последние 450 000 лет, поведанная антарктическими льдами. Левая ось и черная линия показывают изменение концентрации CO2 в атмосфере. Концентрация CO2 циклически меняется от 180 ppm до 280 ppm с периодом примерно 100 000 лет (толстые черные штрихи). Правая ось и серая линия показывают среднюю температуру, полученную на основе анализа соотношения 18O/16O. Степень, в которой совпадают значения температуры и концентрации CO2, поразительна. На рисунке также указаны периоды, соответствующие двум другим циклам Миланковича (изменение наклона оси – 41 000 лет и прецессия – 23 000 лет), оба из которых также учтены в представленных данных. Обратите внимание, что последние 10 000 лет, в течение которых развивалась современная цивилизация, – это наиболее стабильный период за последние полмиллиона лет. Нынешняя концентрация CO2 намного выше, чем была на протяжении миллионов лет
Единственное исключение из этой тесной корреляции, которое мы можем наблюдать, относится к нынешней эпохе. Концентрация CO2 сегодня составляет 420 миллионных долей, что на 50 % превышает уровень, характерный для доиндустриальных межледниковых периодов, однако температура всего на 1 градус Цельсия выше. Мы уже знаем, откуда взялись все эти дополнительные молекулы, – но почему мы не видим повышения температуры на 10 °C, как предсказывает график на рисунке 11.3? В
