НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.578.46+551.515
СПЕКТРАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА В ПОЗДНЕМ ПЛЕЙСТОЦЕНЕ
© 2005 г. О.О. Рыбак1, Е.А. Рыбак!
В работе проанализированы косвенные данные об изменении климата планеты в течение позднего плейстоцена. В качестве индикаторов климатических колебаний использованы 50 антарктического льда и 8180 морских донных осадков, которые являются индикаторами изменения температуры воздуха и уровня Мирового океана соответственно. Эти данные охватывают временной отрезок, соответствующий последним восьми ледниковым циклам. Спектральный анализ одно- и двумерных временных рядов выполнен методом максимальной энтропии. Построены модели авторегрессии отдельных рядов, оценены когерентность и фазовые сдвиги в изменениях изотопного состава обоих типов изотопных рядов.
История регулярных инструментальных наблюдений за погодой - измерения температуры и давления воздуха, количества осадков, скорости ветра и т.д. насчитывает менее четырехсот лет. Долгое время наблюдения проводились лишь в очень ограниченном регионе Западной Европы, позже к нему добавились Россия, Северная Америка. Говорить о регулярных метеонаблюдениях, которые охватывают всю планету, можно лишь по отношению к последним полутора сотням лет. О том, какие изменения климата происходили в течение сотен тысяч лет, им предшествовавших, можно судить лишь по косвенным источникам.
Преобладающая характеристика колебаний климата в позднем плейстоцене (последний 1 миллион лет) - это перемежающиеся, квазициклические, относительно теплые и холодные состояния. С периодичностью примерно 100 тысяч лет огромные массы пресной воды накапливались в континентальных щитах в виде льда. В течение последнего ледникового максимума толщина щитов достигала 4 км, а аккумулированная в них вода вызывала понижение уровня Мирового океана на 80-165 м [9]. Абсолютные цифры, характеризующие масштабы оледенения, приблизительны, поскольку исчезнувший лед оставил лишь косвенные свидетельства, к примеру, в виде изменившегося изотопного состава донных осадков в океане.
В этих процессах глобальных климатических изменений в плейстоцене уцелели Гренландский и Антарктический щиты. Количество льда, содержащееся в них, эквивалентно такому количеству воды, что ее хватило бы для повышения уровня океана приблизительно на 68 м, из которых вклад
1 Сочинский НИЦ РАН, г. Сочи.
Гренландии составил бы 7 м, Антарктиды - 61 м [17]. По-видимому, объем льда (если считать его в эквивалентном повышении уровня Мирового океана) в Антарктиде в течение ледниковых периодов увеличивался в значительно меньшей степени (19.2 согласно [17]), чем объем щитов Северной Евразии и Северной Америки.
Механизмы смены ледниковых эпох известны лишь в общих чертах. Считается, что квазициклическая смена ледниковых периодов и межледни-ковий происходит вследствие гармонических колебаний параметров орбиты Земли: эксцентриситета, склонения и прецессии оси планеты [2, 16, 18, 19]. Отметим, что периодичность оледенений не была постоянной в течение всего четвертичного периода. Очевидное преобладание средней периодичности 100 тысяч лет характерно для последних четырехсот тысяч лет - последних четырех климатических циклов. В частности, именно эта компонента (100 тысяч лет) может считаться преобладающей в колебаниях объема оледенения и в Северном полушарии, и в Антарктиде. Ее связывают, как правило, с колебаниями эксцентриситета земной орбиты. Интересно отметить, что климатический сигнал (с ним ассоциируют колебания инсоляции в средних широтах) на частоте 1 цикл/100 тыс. лет слаб по сравнению с сигналами на частоте колебаний прецессии и склонения (23 и 41 тыс. лет) [18]. Для объяснения этого парадокса были предложены многочисленные гипотезы, учитывающие, например, нелинейный характер взаимодействия компонент прецессии [15] или модуляции компонент прецессии колебаниями эксцентриситета [18]. Было также показано, что свободные колебания объема ледового щита могут происходить с частотами, соответствующи-
ми орбитальным изменениям даже без внешнего воздействия [21]. Непонятным остается механизм быстрых изменений климата (Dansgaard-Oeschger events), следы которых были обнаружены впервые в изменениях изотопного состава ледовых кернов в Гренландии.
На наш взгляд, изменение изотопного состава донных океанических осадков и покровного оледенения - ледовых щитов Гренландии и Антарктиды - это один из самых надежных индикаторов климатических колебаний. Их можно рассматривать как два относительно независимых источника, поскольку физический механизм фиксации характеристик климата в каждом случае свой. В природных условиях фракционирование изотопов зависит от параметров окружающей среды. Соотношение тяжелых и легких изотопов в образце фиксирует условия окружающей среды, при которых происходило разделение изотопов. В настоящей работе мы рассматриваем отклонения от стандартов концентрации в образцах изотопа кислорода-18 (8180), которые были получены в результате бурения океанического дна в различных регионах Мирового океана, и дейтерия (8D), полученного из ледяных кернов на станциях Восток и Купол С в Антарктиде.
ОПИСАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА
Стабильные изотопы и их связь с изменениями климата. В исследованиях, связанных с восстановлением климатических условий прошлого по косвенным изотопным данным, принято определять искомую величину 8 как отклонение образца asample от стандарта astandard [10]:
b=asan.ple-astndard (J)
aundard
Для объяснения механизма фракционирования изотопов используется модель дистилляции Рейли (Raylegh), которая удовлетворительно работает в средних и высоких широтах, где процессы вертикальной конвекции не играют определяющей роли. В рамках этой модели рассматривается изолированная идеализированная частица воды, которая перемещается от источника испарения к точке конденсации и выпадения осадков. Считается, что конденсирующаяся влага находится в изотопном равновесии с окружающим водяным паром, и сразу после конденсации изотопы частицу покидают. Таким образом, изотопный состав льда будет определяться первоначальным изотопным составом в точке происхождения, составом в точке конденсации и будет зависеть от скорости процес-
са фракционирования. Последняя, в свою очередь, определяется температурой окружающего воздуха (в пунктах испарения и конденсации) и его относительной влажностью и, в меньшей степени, скоростью ветра (в пункте испарения). Процесс фракционирования изотопов во время формирования осадков над внутренними районами Антарктиды зависит от температуры воздуха у верхней границы термической инверсии. Градиент термической инверсии считается постоянным, так что температура у верхнего слоя инверсии легко пересчитывается в приземную, т.е. в температуру у поверхности ледового щита. Поскольку изотопный состав керна практически линейно зависит от температуры воздуха, при которой происходило фракционирование изотопов, то стандартная процедура реконструкции заключается в пересчете 5|80 или бО в отклонения температуры воздуха в соответствии с простейшими линейными соотношениями.
Важное допущение состоит в том, что источник влаги не играет существенной роли в формировании изотопного состава конденсированной влаги. Таким образом, современный пространственный градиент можно с большой точностью рассчитать по данным о современной температуре воздуха и изотопному составу. Сам устоявшийся термин "пространственный градиент" не вполне точен, речь идет о соотношении температуры и изотопного состава в различных точках ледового щита (отсюда "пространственный") - ЭГ/ЭбО и ЭГ/Э518(5. Второе, более сильное, допущение состоит в том, что эти современные пространственные градиенты можно считать действительными и для климатических условий прошлого.
Исследования и модельные расчеты показывают, однако, что изотопный состав льда в некоторой степени зависит от источника влаги [11, 12, 20]. Осадки над Антарктидой формируются из воды, испарившейся в разных географических регионах Южного полушария, поэтому лед в каждой точке континента представляет собой смесь изотопов воды разного географического происхождения. Поскольку фракционирование изотопов начинается уже в момент испарения и зависит помимо прочего от высоты переноса в атмосфере, то изотопный состав до момента формирования осадков над Антарктидой уже имеет региональные особенности. При переходе от гляциальной фазы к межледниковью происходит изменение соотношения долей каждого из источников происхождения влаги [11, 12, 20]. Современные модели, тем не менее, не в состоянии с необходимой точностью рассчитать соответствующие поправки на регион происхождения и изменение источника влаги во времени, так что использование ос-редненных коэффициентов при пересчете 5180 и
Таблица 1. Характеристики анализируемых рядов изотопного состава
Название Тип данных Начало ряда, тыс. лет назад Конец ряда, тыс. лет назад Интервал, тыс. лет Пересчитанный интервал, лет
В 94 Планктон, 6180 890 6 2 -
SPECMAP Планктон, 6180 782 0 1 -
S704 Планктон, 8|Х0 663 0 50
К2002 Бентос 6180 861 5 1 -
Vostok Ледовый керн БО 420 0 - 50
DC Ледовый керн Ш 739 0 50
8D в температуру на сегодняшний день представляется оправданным [11, 12].
В донных осадках 5180 считается хорошим индикатором изменения глобального количества льда на планете, или, что эквивалентно, колебания уровня Мирового океана. Изотопный состав фораминифер соответствует изотопному составу окружающей морской воды. Ледовые щиты в течение гляциальных фаз аккумулировали влагу с повышенным содержанием кислорода-18. При резком потеплении климата и таянии ледников эта более "тяжелая" в изотопном отношении вода поступала в океаны. Логично было бы ожидать некоторого запаздывания между потеплением климата и увеличением концентрации тяжелых изотопов в морской воде.
Пересчет изотопного состава донных отложений в изменения температуры и уровня океана осложняется тем, что изотопный состав фораминифер зависит в некоторой степени и от локальной температуры и солености воды в момент отложения осадков.
Датировка как донных осадков, так и
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.