Лёд и Снег • 2014 • № 1 (725)
Снежный покров и снежные лавины
УДК 551.56
Формирование изотопного состава снега на ледниках Арктики (на примере Шпицбергена и Северной Земли)
© 2014 г. В.И. Николаев, Н.И. Осокин, Э.П. Зазовская
Институт географии РАН, Москва dr.v.nikolaev@mail.ru
Статья принята к печати 22 сентября 2013 г.
Вертикальный изотопный градиент, полярные ледники, снежный покров, стабильные изотопы. Altitudinal gradient, polar glaciers, snow cover, stable isotopes.
Проведены изотопные исследования снежного покрова Шпицбергена по нескольким маршрутам: от берега до ледораздела системы Гренфьорд-Фритьоф и от пос. Баренцбург до отрогов горы Улаф. Полученные результаты сопоставляются с более ранними данными по снежному покрову архипелага Северная Земля. Показана неоднозначность процессов конденсации осадков, выпадающих на полярные ледниковые купола. Отмечаются случаи как наличия, так и отсутствия вертикального изотопного градиента. Во внеледниковой зоне арктических островов сильнейший ветровой перенос определяет случайное распределение значений изотопного состава снега. Полученный разброс значений по проведённым маршрутам практически перекрывает диапазон величин изотопного состава свежевыпавшего снега, характерных для исследуемых районов.
Введение
В 1961 г. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) совместно со Всемирной метеорологической организацией (ВМО) инициировали широкомасштабную программу по сбору атмосферных осадков и их изотопным исследованиям. Анализ данных 30-летних исследований стабильных изотопов в осадках свидетельствует о тесной корреляционной связи между температурой приземного воздуха, количеством осадков и их изотопным составом. В настоящее время эта зависимость используется для количественных реконструкций палео-климата по архивам древних атмосферных осадков: полярным ледниковым кернам [12, 21]; подземным льдам [18]; почвенным карбонатам [6]; фосфатам костей млекопитающих [15] и др. В ряде регионов изотопные исследования по продолжительности (30 лет) сопоставимы с флуктуациями современного климата. Кроме того, долговременные тренды изменений изотопного состава атмосферных осадков следуют за долговременными колебаниями температуры приземного воздуха и количеством осадков, подтверждая важность стабильных изотопов как климатического индикатора [19]. В ближайшие
годы следует ожидать включения в климатические справочники, наряду со сведениями о температуре, влажности и других параметрах, данных об изотопном составе атмосферных осадков. Современные циклы изотопов воды уже включены в модели общей циркуляции атмосферы [9—11, 13 и др.].
В настоящее время модельные результаты достаточно хорошо согласуются с натурными наблюдениями. Изучение архивов древних атмосферных осадков даёт уникальную возможность реконструировать не только полярные палеотемперату-ры, но и поля изотопного состава кислорода этих осадков. Аномалии последних относительно современных полей могут быть положены в основу моделирования особенностей общей циркуляции атмосферы прошлого.
Между содержанием стабильных изотопов в атмосферных осадках и температурой их конденсации существует определённая зависимость. Следствием влияния этой зависимости на распределение изотопного состава в осадках служат высотный, широтный, континентальный и другие изотопные градиенты. Высотный изотопный градиент при выпадении атмосферных осадков определяется как
изменение значений б18О и 6D на 100 м высоты. Он неодинаков для районов с разными климатическими условиями. Значения б18О, как правило, варьируют от 0,15 до 0,5 %% Знание этого градиента необходимо для учёта влияния изменения высоты поверхности и движения ледника в прошлом на эволюцию изотопного состава его льда.
Методы исследований и
характеристика образцов
Для изотопных исследований отбирались пробы снега на разных высотных уровнях ледников Шпицбергена и ледниковых куполов Северной Земли, а также во внеледниковой зоне (низовья р. Енисей, Северная Земля и Шпицберген) (рисунок). Изученные пробы представляли собой цилиндр снега, вырезанный из снежно-фирнового слоя от поверхности снега до первого мощного ледяного слоя (грунта). Пробы полностью растапливались в герметически закрытых полиэтиленовых пакетах при комнатной температуре. Часть талой воды отливалась в герметичные пластиковые банки, вместимостью 30 мл, которые до начала аналитических работ хранили в холодильнике.
Изотопный состав определялся масс-спек-трометрическим методом. Пробы воды изотопно уравновешивались в термостате с углекислым газом или водородом соответственно в случае изотопного анализа кислорода или водорода. Полученный в результате изотопного уравновешивания газ (СО2 или водород) анализировался на масс-спектрометре Finigan DELTAplus. Результаты представлены как относительные отклонения содержания тяжёлого изотопа (б18О или 6D) в образце от стандарта V-SMOW в промилле. Достигнутая методическая воспроизводимость (а) не превышала ±0,1 % для б18О и ±0,5 % для 6D. Результаты аналитических исследований приведены в таблице.
Исследования на ледниках
При количественной интерпретации изотопных данных по ледяным кернам следует учитывать многие палеогеографические особенности изучаемой эпохи. Причинами вариаций изотопного состава кислорода ледникового керна могут быть: изменения температуры, толщины ледника, процессов аккумуляции, температуры поверхностных вод, уровня Мирового океана, характера влагопереноса, соотношения количества зимних и летних осадков и другие факторы. Многие из них поддаются, по крайней мере, полуколичественной оценке и при расчётах палеотемператур позволяют вводить соответствующие поправки. Однако раз-
Районы отбора проб снежного покрова: 1 — Шпицберген (ледниковая система Гренфьорд—Фритьоф от берега Гренфьорда до высоты 400 м; по маршруту пос. Ба-ренцбург — отроги горы Улаф до высоты 200 м); 2 - долина р. Енисей между 68° и 71° с.ш.; 3 — архипелаг Северная Земля (ледниковый купол Вавилова и по маршруту ледниковый купол Вавилова — о. Средний) Location of snow sampling sites:
1 - Svalbard (Gronfjord - Fridtjov glacier from Gronfjorden coast till altitude 400 m above sea level; from Barentsburg settlement till foothills of Olav mountain, 200 m above sea level); 2 - the Yenisei river valley between 68° and 71° N; 3 - Severnaya Zemlya archipelago (Vavilov ice dome and along road Vavilov ice dome - Srednij island)
работка системы поправок в каждом конкретном случае требует значительных методических исследований, которые по разным причинам часто остаются за рамками научных публикаций.
Длительное время специалисты Института геологии Эстонской академии наук исследовали изотопный состав кислорода атмосферных осадков, снега, фирна и льда на ледниках Шпицбергена и ледниковых куполах Северной Земли. Они установили связь между средними значениями изотопного состава кислорода ледяного керна и осреднёнными по десятилетиям температурами воздуха на метеостанции Баренцбург. Это имело важное методическое значение, так как подтвердило возможность качественной палеоклиматической интерпретации изотопно-кислородных данных по кернам глубоких скважин на ледниках Арктики; подробнее смотри работы [2, 3]. Однако при палеогеографических реконструкциях мы должны учитывать, что изменение высоты ледникового купола также вызывает вариации значений изотопного состава выпадавших на него атмосферных осадков. Кроме того, водяной пар из различных источников имеет разный изотопный состав.
Результаты изотопных исследований проб снега с различных высот ледниковой системы Гренфьорд-Фритьоф и по маршрутам во внеледниковой зоне
Высота Н, м 6D, %% 6180, %
Ледниковая система Гренфьорд— Фритьоф (май 2008 г.)
387 —79,4 —11,67
357 —76,0 —11,04
324 —80,5 —11,69
299 —80,3 —11,61
296 —73,7 —10,99
354 —79,0 —11,29
261 —74,8 —10,59
182 —84,4 —11,87
118 —79,1 —11,09
14 —93,8 —13,43
Пос. Баренцбург — отроги горы Улаф (апрель 2010 г.)
198 —93,2 —13,0
181 —94,0 —12,9
168 —53,4 —7,5
157 —92,5 —12,9
135 —84,9 —12,0
110 —112,5 —15,9
87 —84,3 —12,0
70 —98,7 —13,3
1 —130,8 —17,2
Ледниковый купол Вавилова — о. Средний (апрель 1988 г.)
200 —17,5
75 —14,4
10 —18,6
20 —16,6
2 —20,8
2 —20,3
2 —16,5
2 —20,4
2 —21,2
2 —24,2
Цель настоящей работы, с одной стороны, изучить процессы конденсации на поверхности конкретных ледников «местной» влаги, а с другой — получить дополнительную информацию о формировании снежного покрова по изотопным данным. Иными словами: мы попытались показать возможные причины (далеко не все, см. также [10]) возникновения «фиктивных» изотопных (температурных) пиков на палеоклиматических кривых.
В 2008 г. были выполнены изотопные исследования снега ледниковой системы Гренфьорд-Фритьоф, расположенной в кутовой части ледника Гренфьорд (Шпицберген). Логично предположить, что на ледниках, расположенных на низких гипсометрических уровнях (0-600 м), высотный изотопный градиент отсутствует, а выпадающий снег как в верховьях ледников, так и на их краях формируется на одном и том же высотном уровне конден-
сации осадков. По этой причине на северо-западном склоне купола Девон (Арктическая Канада) и в краевой зоне Антарктиды для современного снега в областях его аккумуляции не обнаружено какой-либо зависимости изотопного состава от высоты [8, 14, 16 и др.]. Однако близость открытого моря и частые адвективные туманы на ледниках полярных архипелагов позволяют предположить значительную роль иных процессов конденсации атмосферной влаги. Наши изотопные исследования [5] показали, что для гренландского снега вклад «местной» влаги, испарившейся с поверхности Деви-сова пролива, может достигать 15%; близкие значения получены и для ледникового купола Девон [14].
Пробы в пределах ледниковой системы Грен-фьорд-Фритьоф отбирались в апреле и мае и характеризовали весь слой аккумуляции с сентября 2007 г. по май 2008 г. Результаты изотопных исследований приведены в таблице. Рассчитанный по этим данным коэффициент регрессии бD—б18О
6D = (7,07±0,93)б180 + (1,45±0,51) (1)
в пределах точности соответствует коэфф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.