Рис. 1. Исследовательское судно JOIDES Resolution, участвующее в Международном проекте бурения в океане (IODP — International Ocean Discovery Program) в порту Иокогамы. Изучение 169-метрового керна из скважины, пробуренной на дне Южного океана с борта этого судна, позволило ученым изучить историю изменения температуры и солености вод за последние 1,5 млн лет. Фото с сайта iodp.org

История климатических изменений Земли за последние 2,6 млн лет — это непрерывное чередование ледниковых периодов и межледниковий. Регулярная смена холодных периодов более теплыми объясняется колебаниями количества солнечного излучения, достигающего Земли, и связана с периодическими изменениями параметров земной орбиты. В промежутке 2,6–1,25 млн лет назад ледниковые циклы длились по 41 тыс. лет. Однако в середине плейстоцена (между 1,25 и 0,7 млн лет назад) произошел какой-то сбой в «климатической машине», после чего ледниковые циклы стали намного длиннее (около 100 тыс. лет). В палеоклиматологии этот феномен получил название «проблема 100 тысяч лет». Исследование международной группы ученых, опубликованное недавно в журнале Science, показало, что смена цикличности оледенений совпадает по времени со сменой режима циркуляции между глубоководными и поверхностными водами в Южном океане, что указывает на определяющую роль антарктического региона в эволюции климата Земли.

Из-за периодических изменений параметров своей орбиты Земля регулярно проходит через периоды глобального похолодания (ледниковые периоды), сменяющиеся более теплыми межледниковыми эпохами. Первым ледниковые циклы заметил и описал в 1920-е годы сербский инженер и климатолог Милутин Миланкович (подробнее см. статью Циклы Миланковича), связав их с изменением поступающей к поверхности Земли солнечной радиации (инсоляции), которая как раз и зависит от орбитальных параметров Земли. На данный момент известны следующие периодические колебания параметров земной орбиты:
    1) Лунно-солнечная прецессия: поворот земной оси со средним периодом около 25,8 тыс. лет.
    2) Колебания угла наклона земной оси к плоскости ее орбиты с периодом 41 тыс. лет.
    3) Колебания эксцентриситета орбиты Земли с периодами 95, 125 и 400 тыс. лет.
    4) Прецессия перигелия орбиты Земли и восходящего узла орбиты с периодами 26 и 10 тыс. лет соответственно.

Суммарное влияние всех этих орбитальных параметров (из которых три первых являются определяющими) дает цикличность смены холодных и теплых эпох с периодичностью примерно 100 тыс. лет. Эту периодичность и заметил Миланкович, описывая климатические изменения за последние 500 тыс. лет. Главным орбитальным параметром, влияющим на климат, он считал эксцентриситет орбиты (рис. 2).

Рис. 2. Эффекты, вносящие вклад в циклы Миланковича. По горизонтали — шкала времени в тысячах лет. Precession — прецессия; obliquity — наклон земной оси; eccentricity — эксцентриситет; solar forcing — количество солнечной радиации на широте 65° с. ш.; stages of glaciation (стадии ледниковых циклов): hot — теплые и cold — холодные. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Впоследствии гипотезу Миланковича о ледниковой цикличности для последних 500 тыс. лет блестяще подтвердил в своих многочисленных работах основатель палеоокеанографии Чезаре Эмилиани. В качестве главного индикатора палеотемператур он использовал изотопный показатель кислорода δ18О (отношение содержания изотопов кислорода 18О и 16О) в ископаемых раковинах фораминифер. В связи с тем, что изотопное фракционирование (разделение изотопов) кислорода сильно зависит от температуры, коэффициент δ18O является одним из базовых показателей, по которым определяют температуру воды в прошлом. Например, известно, что повышение температуры воды на 1°C приводит к снижению δ18O на 0,22‰ (S. Epstein et al., 1953. Revised carbonate-water isotopic temperature scale).

Позднее появился еще один очень важный источник информации о палеотемпературах — ледовые керны скважин, пробуренных в ледниках Гренландии и Антарктиды. Изотопно-кислородные данные, полученные по этим кернам, очень точные, но, к сожалению, охватывают только последние 800 тыс. лет (подробнее о проектах ледового бурения в Антарктиде см.: Климат Антарктиды в течение последних 800 тысяч лет определялся изменениями орбиты Земли, «Элементы», 17.08.2007).

В 2005 году в журнале Paleoceanography and Paleoclimatology вышла обобщающая статья, в которой были собраны данные по δ18O в кальците раковин фораминифер, охватывающих по времени последние 5,3 млн лет (L. E. Lisiecki, M. E. Raymo, 2005. A Pliocene‐Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records). Это исследование позволило проследить периодичность ледниковых циклов намного дальше вглубь истории Земли. На обобщающем графике, построенном по результатам этого исследования (рис. 3), видно, что заметное глобальное похолодание наступило около 2,6 млн лет назад. С тех пор началось чередование резко различающихся по температуре ледниковых и межледниковых стадий. При этом сначала ледниковые циклы длились 41 тыс. лет, а с середины плейстоцена — уже 100 тыс. лет.

Рис. 3. График изменения температуры за последние 5 млн лет (составленный на основе статьи L. E. Lisiecki, M. E. Raymo, 2005. A Pliocene‐Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records). По горизонтальной оси — возраст в млн. лет; вертикальная шкала слева — отклонение средних глобальных температур от базового значения; вертикальная шкала справа — значения δ18O в кальците бентосных фораминифер, в ‰. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Тогда и возникла «проблема 100 тысяч лет» — необходимость найти причину изменения ледниковой цикличности. Также стало ясно, что главным орбитальным фактором, определяющим климатические колебания, является угол наклона земной оси к плоскости ее орбиты, а не эксцентриситет, и возникло предположение, что изменения орбитальных параметров только инициируют глобальные изменения климатической системы, которые затем могут усиливаться или ослабляться действием других, вполне земных факторов, таких как концентрация парниковых газов в атмосфере или объем континентальных льдов.

После так называемого среднеплейстоценового переходного периода (mid-Pleistocene transition, MPT), продолжавшегося с 1,25 млн лет до 700 тыс. лет назад, ледниковые циклы стали длиннее, температуры ледниковых фаз стали значительно ниже, а периоды межледниковья короче. Орбитальные параметры при этом никак не менялись (считается, что после поздней тяжелой бомбардировки орбиты планет земной группы оставались стабильными, см. D. N. Lin, 2008. The Genesis of Planets). Зато концентрация СО2 в атмосфере снизилась существенно (B. Hönisch et al., 2009. Atmospheric Carbon Dioxide Concentration Across the Mid-Pleistocene Transition), составив около 180 ppm по сравнению со значениями 200–220 ppm до MPT, что не могло не вызвать ослабление парникового эффекта. Скорее всего, с этим и был связан сбой в ледниковой цикличности. Но что вызвало такое изменение содержания углекислого газа в атмосфере Земли?

Международная группа ученых во главе с Самюэлем Жаккаром (Samuel Jaccard) из Бернского университета предположила, что ответ на этот вопрос и разгадку «проблемы 100 тысяч лет» в целом надо искать в глубинах океана, ведь в океанских водах содержится в 60 раз больше углерода, чем в атмосфере. Следовательно, даже незначительные колебания содержаний СО2 в водах океана могут существенным образом повлиять на климатическую систему планеты.

Объектом исследования стал керн из скважины ODP1094, пробуренной в 1998 году в 2500 км от побережья Южной Африки в направлении на море Уэдделла в рамках Международного проекта бурения в океане (International Ocean Discovery Program, IODP). Изучив состав раковин фораминифер в этом керне, авторы работы смогли восстановить параметры температуры и солености приповерхностных и глубинных вод Южного океана за последние 1,5 млн лет. Результаты исследования опубликованы в недавнем выпуске журнала Science.

Ученые изучали раковины планктонных фораминифер Neogloboquadrina pachyderma, обитающих в приповерхностной зоне водной толщи океана, и бентосных (донных) фораминифер Cibicidoides spp. и Melonis pompilioides. Используя отношение концентраций магния и кальция (Mg/Ca), а также изотопный состав кислорода (δ18О) в кальците, из которого сложены ископаемые раковины этих одноклеточных организмов, авторы восстановили историю изменения режима вертикальных циркуляций океанских вод в течение среднеплейстоценового переходного периода.

Рис. 4. Одна из участвовавших в исследовании раковин фораминифер под электронным микроскопом. Фото с сайта phys.org

Однако показатель δ18O зависит не только от температуры, но и от солености воды. Ввод в рассмотрение еще одного коэффициента, зависящего от температуры, — отношения магния к кальцию в оболочках фораминифер (магний выводится из состава раковин при более высоких температурах) позволил авторам определить оба этих важнейших для понимания эволюции океана показателя. Кроме того, значения δ18O в приповерхностных водах, полученные по результатам анализа раковин планктонных фораминифер, служат индикатором скорости испарения, поскольку морская вода, содержащая легкий изотоп 16О, испаряется быстрее.

Вертикальные циркуляции в океане имеют очень важное значение: они перемешивают воды, имеющие разную температуру и соленость, и обеспечивают доставку питательных веществ и углерода из нижних слоев водной толщи в верхние. Схема вертикальной циркуляции вод современного Южного океана показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема вертикальной циркуляции вод современного Южного океана на плане (А) и в разрезе (В). Область, показанная на разрезе, на плане обозначена черным прямоугольником. Белым треугольником обозначена скважина 1094, материал которой использовался для исследования. Цветные шкалы справа от рисунков: А — средняя летняя температура поверхности воды в °С; В — соленость в psu (Practical Salinity Units — практическая единица солености, примерно соответствует ‰). Сокращения на рисунке: PF — Антарктический полярный фронт (Antarctic Polar Front); SAF — Субантарктический фронт; STF — Субтропический фронт (Subtropical front); AABW — антарктические донные воды (Antarctic bottom water); LCDW — нижние циркумполярные глубокие воды; UCDW — верхние циркумполярные глубокие воды; AAIW — антарктические промежуточные воды (Antarctic Intermediate Water); NADW — североатлантические глубокие воды (North Atlantic Deep Water); SAMW — субантарктические режимные воды (Subantarctic Mode Water). Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статьи в Science

В настоящее время в атлантической зоне Южного океана имеются две ячейки вертикальной циркуляции — северная и южная. В северной ячейке воды из глубинной зоны (NADW), обогащенные СО2 и питательными веществами, поднимаются к поверхности и далее, подгоняемые постоянно дующими в этой части Южного полушария ветрами, устремляются по направлению к экватору. Здесь, на границе Антарктического полярного фронта и Субантарктического фронта, они формируют так называемую зону Антарктической конвергенции — благоприятную среду для обитания морских организмов. Двигаясь далее на север, эти воды, отдав в атмосферу содержавшуюся в них углекислоту, погружаются вглубь, под массив более теплых субантарктических режимных вод (SAMW). Для южной ячейки характерен постоянный круговорот глубинных и поверхностных вод у берегов Антарктиды (рис. 5).

Новое исследование позволило выяснить, что в среднем плейстоцене (по сравнению с более ранним периодом) температура и соленость поверхностных вод в Южном океане стали ниже, а соленость глубинных вод, наоборот, возросла. Это видно по снижению значений δ18O и интегрированному показателю температур поверхностных и придонных вод (рис. 6).

Рис. 6. Изменения параметров поверхностных (красные графики) и придонных (черные графики) вод Южного океана за последние 1,5 млн лет (приведены данные для холодных фаз ледниковых циклов). Верхняя шкала — возраст в тысячах лет. Левая шкала — значения δ18O в кальците раковин фораминифер (в ‰). Правая шкала — температура (в °С). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Кроме того, усилилась стратификация (расслоение) водной толщи. Все это является свидетельством того, в конце переходного периода (примерно 700 тыс. лет назад) интенсивность работы ячеек вертикальной циркуляции уменьшилась. Ослабление вертикальной циркуляции и перемешивания между собой глубинных и поверхностных вод привело к длительному застаиванию в поверхностной зоне вод, обедненных СО2 и питательными веществами, и меньшему притоку обогащенных углекислотой вод с глубины. В результате поверхностные воды начали больше потреблять углекислоту из атмосферы, чем отдавать в нее. К тому же ослабление океанической циркуляции ослабило приток теплых поверхностных вод из субантарктической зоны в высокие широты (рис. 7).

Рис. 7. Схема работы ячеек вертикальной циркуляции Южного океана до начала среднеплейстоценового переходного периода (1,25 млн лет назад, слева) и после его окончания (700 тыс. лет назад, справа). Черные пунктирные линии обозначают меньшую интенсивность по сравнению со сплошными линиями. Светло-голубые волнистые стрелки показывают выделение СО2 водами океана в атмосферу; темно-голубые — поглощение водами СО2 из атмосферы. Слева — условная шкала содержания углерода в воде. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Сокращение содержания СО2 в атмосфере (уменьшение парникового эффекта) и охлаждение высоких широт — два фактора, которых было вполне достаточно, чтобы включились механизмы обратной связи. Во-первых, чем медленнее идет перемешивание, тем слабее парниковый эффект и тем ниже температуры. Во-вторых, чем медленнее идет перемешивание, тем дольше остаются на поверхности талые воды ледников, обладающие низкими температурой, соленостью и плотностью, из-за чего снижается температурный градиент между поверхностными и глубинными водами, что приводит к еще большему затуханию процесса перемешивания. При понижении температуры снижаются темпы таяния ледников, а следовательно, увеличивается альбедо Земли (возрастает отражательная способность ее поверхности), меньше солнечной радиации достигает поверхности планеты, и поверхность еще больше охлаждается и т. д.

Авторы пока не могут ответить на вопрос о первичной причине снижения темпов перемешивания вод Южного океана в среднем плейстоцене. Они также не утверждают, что этот фактор является главным в смене режимов оледенения. Но, по их мнению, он был одним из важнейших в возникновении цепочек обратной связи, которые 700 тыс. лет назад запустили процесс «глобального охлаждения». Начиная с этого момента для того, чтобы вывести глобальную климатическую систему Земли из ледникового периода в межледниковье, требовалось совпадение уже сразу нескольких орбитальных параметров.

Источник: Adam P. Hasenfratz, Samuel L. Jaccard, Alfredo Martínez-García, Daniel M. Sigman, David A. Hodell, Derek Vance, Stefano M. Bernasconi, Helga (Kikki) F. Kleiven, F. Alexander Haumann, Gerald H. Haug. The residence time of Southern Ocean surface waters and the 100,000-year ice age cycle // Science. 2019. V. 363. P. 1080–1084. DOI: 10.1126/science.aat7067.

Владислав Стрекопытов

Источник elementy.ru