Палеоклимат Земли: новые данные

Самым старым систематическим метеоданным, которые есть в распоряжении ученых, от силы 150 лет. А для Сибири эта цифра и того меньше. В письменных источниках более ранних периодов (если повезет) можно найти качественную оценку: «лето было необычайно жарким», «дожди обрушились на наши земли» и т. д. Если же речь идет о десятках тысяч лет и, тем более, о сотнях, то никаких письменных свидетельств точно нет…

Между тем это отнюдь не праздный интерес. И дело не только в реконструкции климата прошлого (хотя и она очень важна). Сейчас, когда проблема изменения климата всё больше беспокоит общество, важно оценить, выходят ли происходящие сегодня процессы за рамки естественных колебаний. Как ни удивительно, информация о климате прошлого бережно хранится на дне озер! О том, что и как можно узнать, изучая озерные керны, Юлии Черной рассказала руководитель лаборатории PaleoData Института археологии и этнографии СО РАН канд. биол. наук Наталия Рудая.

Легко сказать…

«Ну, взяли вы керн, что дальше?» — начинаю я разговор с Наталией. Такое начало ее искренне забавит. «„Взяли керн“ — это очень просто сказано, — поясняет она свой смех. — Зачастую даже добраться до озера — непростая задача. Затем на озере находится самая глубокая точка — к ней мы и плывем со специальным пробоотборником». Как оказалось, выбрать конкретное место для взятия проб и добраться до него — это только начало приключений. В дно вертикально вбивают специальные трубки длиной 3–4 метра — лайнеры, которые забиваются в грунт с помощью специальных молотков (хаммеров). Затем лайнеры предстоит поднять на борт с помощью лебедок и максимально аккуратно довезти до берега. Слушая Наталию, я тщетно пытаюсь представить эту хрупкую женщину на небольшой лодке старающейся удержать строго вертикально длинную пластиковую трубу, в которой еще и находится около 20 кг донных отложений!

Бережно привезенный керн ученые прямо на берегу осушивают и упаковывают. Но и за этими простыми словами стоит масса проблем и сюрпризов. Например, из осадка может начать выделяться донный газ. А если позволить газу начать подниматься, он нарушит всю последовательность слоев, вступит в реакции в других слоях и т. д. Попав из анаэробных условий в ­аэробные, осадок порой начинает сильно и неравномерно усаживаться или, наоборот, расширяться. Приходится регулировать давление, аккуратно отводить газы — словом, «уговаривать» отложения доехать до лаборатории в том же виде и составе, в котором они были на дне.

Длинный цилиндр донных отложений в лаборатории разрезают вдоль на две части. Одну убирают в холодильник (для проверки данных), а со второй — работают. Для начала пробы ждет «фотосессия» и «первичный осмотр». Интересно, что в ходе такого осмотра специалисты, среди прочего, обязательно обнюхивают привезенный образец. Половину столбца разрезают на небольшие слои шириной 1–2 см, затем — на более мелкие доли и уже с ними работают.

Исследуй вдоль и поперек

Часть образцов отправляется на радиоуглеродный анализ методом ускорительной масс-спектрометрии: это позволяет установить возраст каждого из слоев. Еще один набор образцов отправится на гранулометрию — этим методом можно узнать о размерах частиц в образце, так специалисты получают представление об условиях осадконакопления. Третий — на биологический (в том числе палинологический) анализ: в образце изучаются и определяются споры и пыльца растений.

Я не могу сдержать удивление, узнав, что пыльца или водоросли успешно сохраняются в отложениях на дне. Наталия с видимым удовольствием поясняет, что пыльца растений, несмотря на свой крохотный размер (от 7–10 до 250 микрон, причем чаще — 20–60), сверху покрыта очень прочным биологическим слоем, схожим с хитином у насекомых. Конечно, этих бесценных носителей информации в осадке не так уж и много: после промываний, центрифугирования и многократной обработки кислотами и щелочами из нескольких килограммов образца часто остаются лишь доли грамма нужного палинологам материала. Из водорослей лучше всего, конечно, сохраняются диатомовые водоросли — одноклеточные организмы с экзоскелетом из диоксида кремния. Исследование диатомовых водорослей позволяет оценить трофность озера (т. е. то, насколько много органического вещества там было в изучаемый период) и его глубину, или уровень.

Сохранившиеся или несохранившиеся в донных отложениях челюсти хирономид (Diptera: Chironomidae) могут рассказать о температурном режиме. Хирономиды, или комары-звонцы, встречаются практически везде, вплоть до Арктики; водятся даже на Антарктических островах. «Хирономиды — это четкий количественный маркер июльских температур. По ним можно достаточно точно количественно реконструировать температуру в июле», — поясняет Наталия. Анализ на хирономид новосибирским ученым делают либо в Санкт-Петербурге, либо в Германии.

Еще один набор проб отправляется на геохимический анализ. В этом году, благодаря гранту РНФ, удалось сделать рентгенофлуоресцентный анализ проб (РФА СИ): с шагом 0,2–1,0 мм изучаются количество различных химических элементов и их соотношение.

Изменение соотношения кальция и титана может рассказать ученым об изменении в литогенной и биогенной составляющих озера. Перемены в соотношении калия и кальция, железа и титана достоверно свидетельствуют о том, какие процессы преобладали в эрозии: связанные с ветром (эоловые) или с текучими водами (флювиальные).

На основе рентгенофлуоресцентного анализа можно узнать о климатических изменениях, количестве осадков и многих других параметрах, в том числе об экстремальных событиях — пожарах, землетрясениях, наводнениях. Эти дорогостоящие исследования институт проводит в тесном сотрудничестве с Институтом полярных и морских исследований им. А. Вегенера (AWI, Бремерхафен и Потс­дам, Германия), Институтом геологии и минералогии СО РАН и Институтом ядерной физики СО РАН.

Еще один набор образцов отправляется на определение изотопного соотношения легких элементов и общего органического углерода. «Наиболее информативны для нас анализы на содержание органического углерода (C¹³/C¹²) и азота N¹⁵, — поясняет Наталия. — Соотношение азота и углерода дает представление о том, в каких условиях образовывалась органика: в самом озере (автохтонная) или вне его (аллохтонная); соотношение количества разных изотопов углерода (C¹³/C¹²) может выступать как показатель гумидности (влажности климата)».

«А еще последнее время благодаря Светлане Карачуриной, которая освоила методику в AWI Potsdam, мы делаем анализ осадка на установление растительной ДНК, — не без гордости уточняет моя собеседница. — Эти работы проводятся совместно с Институтом цитологии и генетики СО РАН. Пыльца позволяет нам определять растения на уровне семейств и родов, а ДНК — на видовом. Пока есть много сложностей, но метод перспективный».

Совместно с Институтом географии Польской академии наук (Варшава) под руководством профессора М. Словински проводится анализ микро- и макроугольков, сохранившихся в кернах. Это позволяет реконструировать пожары в регионе. Чем больше сравнительно крупных угольков, тем ближе к озеру проходил пожар. Кроме того, по уголькам можно определить, что горело: дерево или трава. «В Германии, например, по соотношению полисахаридов глюкозанов даже могут определить интенсивность пожара, а также то, был ли он верховым или низовым, — добавляет Наталия, видя мое изумление. «Но мы такой метод пока не применяем из-за его дороговизны», — с заметным сожалением добавляет она.

Как оказалось, это далеко не полный перечень исследований, через которые пройдут пробы озерного осадка: его ждет кладоцерный анализ, определение сохранившихся макрорастительных остатков, реконструкция климата с применением метода трансферных функций и геоинформационных (ГИС) технологий и так далее.

Пожары в Кулунде

На мой вопрос об интересных результатах, которые удалось получить, читая летопись озер, Наталия в первую очередь вспоминает озера Кучук и Малое Яровое в Кулундинской степи Алтайского края. Они образовались около 14 тыс. лет назад, еще до начала голоцена (современной геологической эпохи). Около 10 800 лет назад этот степной край, в котором сегодня сохранились лишь ленточные леса, начал покрываться лесом. Преобладала в лесах сосна обыкновенная, а пик развития сосновых лесов случился в промежутке от 7200 до 2700 лет назад. На это же время приходится максимальное количество среднегодовых осадков (примерно на 100 мм больше, чем сегодня).

Крупные пожары бушевали на территории Кулундинской степи примерно 4500–5000 лет назад. Причем горели и степные травы, и леса. Самый крупный и обширный пожар зарегистрирован около 550 года н. э. Согласно исследованиям, топливом для него в равной мере послужили травянистые и древесные растения. После него пожары в степном Алтае становятся постоянными и интенсивными, и древесная растительность оказывается главным источником топлива. Кто же виноват: люди или погода? — тут же спрашиваю я. Наталия улыбается: этот вопрос от журналистов она слышит не впервые.

«Чтобы ответить на этот вопрос, нужны дополнительные исторические и археологические свидетельства. Нам известно, что до прихода русских крестьян Кулунда была достаточно слабо заселена, — рассказывает Рудая. — Тем не менее во второй половине первого тысячелетия нашей эры эта территория была под контролем Тюркского каганата, а в 1200–1700 годах — под контролем наследников Золотой Орды. Я склонна считать, что мы наблюдаем видимые последствия того, как кочевники выжигали траву на пастбищах, чтобы повысить их плодородие. Думаю так потому, что мы не видим соответствующей динамики осадков. Но это лишь предположения: мы могли не ­зафиксировать какие-то короткие экстремальные события».

Ледник Монголии

«Очень хорошие результаты мы получили при исследовании кернов с одного из ледников горного массива Цамбагарав, — продолжает рассказ об интересных исследованиях Наталия Рудая. — Я не играла ключевой роли в этом исследовании, но принимала в нем активное участие». Исследование было уникальным, — но, конечно, не потому, что над ним работала большая международная группа ученых. Просто ­ледовые керны с горных (не шельфовых) ледников изучаются довольно редко.

Удалось установить, что в изучаемой части Монголии леса достигали максимального развития трижды: в 3000–2800, 2400–2100 и 1900–1800 годах до н. э. После этого леса начали постепенно исчезать в ответ на уменьшение осадков. При этом усилились пожары, которые достигли пика около 1600 года до н. э. «А тут я практически уверенно могу сказать, что люди не виноваты, — замечает моя собеседница. — Причиной, скорее всего, стали скопившиеся сухие деревья, которые появлялись из-за отмирания леса». В итоге около 3800 лет назад леса в этом регионе почти исчезли.

Влияние человека ученые наблюдают только после 1700 года. Именно в пробах, которые датируются этим годом, начали появляться округлые частички сажистого углерода. «Такие частички образуются при сжигании ископаемого топлива в тяжелой промышленности. Это результат глобального загрязнения, которое дошло и до Монголии». Но к исчезновению лесов в Монгольском Алтае это отношения уже не имело…

Это не значит, что человек совершенно не влиял на экосистему. Исследование спор грибов-копрофилов (споры грибов, которые в ходе жизненного цикла обязательно должны пройти через кишечный тракт травоядных и вырасти в навозе) позволяет оценить количество травоядных, в том числе мамонтов и лошадей. Для позднего голоцена на территории Монгольского Алтая животными, производящими навоз, могли быть только сельскохозяйственные виды. Несмотря на слабую археологическую обследованность территории, участникам исследования удалось увязать пики содержания спор этих грибов в кернах с ростом населения. Выявить и доказать такую закономерность получилось благодаря участию в проекте археологов, в частности Василия Соёнова из Горно-Алтайского государственного университета.

Изменения климата: проблема или PR

«Может, наши исследования слишком трудоемки, слишком дороги, но зато именно так мы получаем количественные оценки климата прошлого. Мы говорим не просто „было суше“, но можем привести количество осадков в миллиметрах в год, можем определить, какими были растительность, температура и т. д. Это позволяет нам более реалистично оценить климат прошлого, а значит, и нынешние изменения климата».

«И что вы думаете об изменении климата — просто природные колебания или, действительно, антропогенный фактор?» — тут же реагирую я.

Наталия в ответ на мой вопрос тяжело вздыхает. «Но вы же понимаете, что я могу высказать только свое мнение… — неуверенно начинает она. — Начнем с того, что изменения климата есть… Об этом можно судить по Арктике, с которой я тоже работала. Таяние вечной мерзлоты и ледников — это не домыслы политиков, это научный факт. Лично мое мнение: судя по тем тенденциям и по той скорости изменения климата, которые мы наблюдаем, оно проходит не без участия человека. Это хорошо видно по скорости изменения температур за последние 200 лет».

Закончив интервью, я невольно вновь и вновь возвращаюсь мыслями к нашему разговору. Но мысли мои не об изменении климата, а о том, как важны в науке сотрудничество и открытость. Самые интересные результаты, о которых мне рассказывала Наталия, получены в тесном сотрудничестве специалистов не только разных стран, но и совершенно разных направлений науки.