Лёд и Снег • 2013 • № 2 (122)
УДК 551.324+551.211+551.77
Связь вулканической активности и климатических изменений на Алтае по данным исследования ледникового керна горы Белуха
© 2013 г. Н.С. Малыгина1, Т.В. Барляева2, Т.С. Папина1
1Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул; 2Европейский центр исследований и образования в области наук о Земле и окружающей среды, Экс-ан-Прованс, Франция
natmgn@gmail.com
Статья принята к печати 29 сентября 2012 г.
Алтай, вулканические извержения, изменение климата, ледниковый керн. Altai, climate change, ice core, volcanic eruptions.
Впервые с помощью вейвлет-анализа и анализа вейвлет-кросскогерентности и фаз проанализирована связь климатических изменений на Алтае, реконструированных по данным высокогорного ледникового керна, взятого с седловины горы Белуха, и вулканической активности, описанной индексами VEI, DVI и IVI, за последние 750 лет. Полученные фазовые соотношения изменений концентраций сульфатов в керне и вулканических индексов, а также противофазные низкочастотные статистически значимые сигналы между индексами вулканической активности и температурой воздуха позволяют говорить о зависимости изменений термического режима на Алтае от вулканической активности. При этом в малый ледниковый период отмечается запаздывание климатических изменений относительно вулканической деятельности, что может быть связано с наложением влияния солнечной активности на изменения термического режима.
Введение
В течение последних тысячелетий вулканические извержения представляют собой одну из основных причин климатических изменений [10, 43]. Это происходит наряду с циклической сменой орбитальных параметров Земли, вариациями солнечной активности, колебаниями концентраций парниковых газов и изменениями в циркуляции атмосферы. Воздействие вулканизма на состояние климатической системы в разных временных масштабах диаметрально противоположно [9, 11, 33], что затрудняет прогнозирование изменений климата при использовании моделей с чётко ограниченными неопределённостями [26, 31]. Совершенствование и верификация таких моделей возможны путём привлечения данных о климатических (температуре, осадках, циркуляции и др.) и палеоэкологических (вулканизме, биологической продуктивности и др.) изменениях, полученных из надёжных источников, например палеоархивов [18]. Естественные палеоархивы в отличие от документальных данных и материалов натурных наблюдений покрывают во временнбм интервале не только столетия, но десятки и сотни тысяч лет, что повышает качество прогнозов климатических изменений на основе моделей с ограниченными неопределённостями. В качестве палеоархивов, данные которых активно используются для оценки роли вулканизма в
изменениях климата на Земле, выступают полярные ледники и древесные кольца [10].
Продукты вулканизма (диоксид и оксид углерода и серы, азот, водород, аммиак, хлористый водород, сероводород, метан и др.) после поступления в атмосферу с разной степенью интенсивности и удалённости от места извержения осаждаются на земную поверхность. При этом вулканические продукты, осаждаясь на ледниках и ледниковых покровах, чаще всего полностью «фиксируются» в снежно-фирновых и ледниковых толщах и содержат информацию о вулканизме за последние сотни, а иногда и десятки тысяч лет. Идентифицируются вулканические сигналы в основном по изменению концентраций сульфатов, кислотности, электропроводности и диэлектрической проницаемости в кернах полярных ледников. Одна из первых работ по идентификации вулканических сигналов на основе изменения электропроводности в Гренландском ледниковом керне — исследование К. Хаммера с коллегами [16, 17]. Практически параллельно с этими работами Р. Дельмас и К. Бутрон [13] вели первые исследования по идентификации вулканических сигналов в антарктических кернах, но уже по данным изменений концентраций сульфатов.
Позже при гляциохимическом анализе полярных ледниковых кернов процесс идентификации вулканических сигналов по изменению электро-
проводности и/или диэлектрической проницаемости стали комбинировать с идентификацией сульфатных сигналов, что позволило улучшить результаты и избежать ряда ошибок. Так, при идентификации вулканических сигналов только по данным электропроводности и/ или диэлектрической проницаемости предполагается, что пиковые повышения кислотности обусловлены максимальными концентрациями серной кислоты [17]. При этом резкие повышения могут накладываться на относительно стабильные значения сульфатных изменений, связанных с непрерывной (не вулканической), например, морской или биогенной эмиссией в доиндустриальный период. При этом наличие других кислот (например, азотной кислоты), нейтрализация кислотности за счёт поступления щелочной пыли, а также структурные и те-плофизические свойства льда усложняют идентификацию вулканических сигналов [14] на основе только одного исследовательского подхода [10].
В настоящее время идентифицированы вулканические сигналы более чем по полусотне полярных ледниковых кернов, охватывающих временной интервал до 45 тыс. лет (EPICA Dome C core 45) [7, 8] и имеющих временнбе разрешение в один год для последних 12 тыс. лет (Dome Siple, Западная Антарктида) [20]. Возможность использования дендропалеоархивов в качестве источников сведений о палеовулканизме основана на том, что мощные вулканические извержения приводят к изменениям термического режима, в том числе и в вегетационный период, что отражается в видимых изменениях или повреждениях клеток ствола дерева. Таким образом, точное определение ширины и плотности годичного кольца даёт возможность идентифицировать вулканические извержения. На основании этого В. ЛаМарш и К. Хиршбоек [21] одними из первых использовали данные о структуре годичных колец Bristlecone pines для оценок климатических изменений под воздействием вулканических извержений за период более 3500 лет, а М. Зальцер и М. Хугес в работе [36] расширили этот временной интервал до 5000 лет. Были выполнены также работы, позволяющие оценить последствия вулканических извержений на основе годовой ширины колец и их плотности по данным дендропалеоархивов из других регионов [6, 12, 19, 41]. Таким образом, вместе с ледниковыми кернами дендропалео-архивы представляют собой альтернативный источник информации о палеовулканизме и его воздействиях на климатическую систему.
8 Лёд и Снег, № 2, 2013
Постановка проблемы
Идентификация вулканических сигналов в полярных ледниковых кернах и оценка на их основе степени воздействия вулканизма на климатическую систему — весьма актуальные задачи, решения которых можно использовать для получения надёжных прогнозов климатических изменений на ближайшее будущее. При этом особая роль отводится высокогорным внутриконтинентальным ледникам, изучение которых позволяет оценить воздействие вулканизма на климат густонаселённых внутриконтинентальных районов как на глобальном, так и на региональном уровнях. На Евразийском континенте за последние 50 лет отобрано более полусотни ледниковых кернов, которые можно использовать в качестве надёжных палеоар-хивов. При этом для Центральной Азии, территория которой не испытывает значительного влияния муссонной циркуляции и практически равно удалена от океанов, имеется около 10 кернов, среди которых важное место занимает керн ледника на горе Белуха, отобранный совместной Российско-швейцарской экспедицией в 2001 г. на седловине горы (Катунский хребет, Республика Алтай; 49° 48' 26,3'' с.ш., 86° 34' 42,8'' в.д., абс. высота 4062 м, длина 142 м) [29]. Этот керн имеет хорошее временнбе разрешение (год и менее) и покрывает период в 750 лет. К настоящему времени завершено его датирование. Керн также послойно проанализирован на содержание минеральных и биогенных элементов (Са2+, М£2+, С1-, №+, В042-, N0^, NH4+, С00Н). Дополнительно по содержанию б18О в ледниковом керне реконструирована кривая температурных изменений на Алтае за последние 750 лет с шагом 1-3 года [15, 29, 30].
Цель нашей работы — оценить влияние вулканической активности на климат Алтая за последние 750 лет на основе сравнительного анализа существующих индексов вулканической активности и реконструкций содержания вулканических маркеров (изменение температуры и концентраций сульфатов) в керне ледника Белуха с помощью вейвлет-анализа и анализа вейвлет-кросс-когерентностей и фаз.
Материалы и методика исследования
Выполненная нами оценка влияния вулканизма на климат Алтая основана на сопоставлении реконструированных температур и концентраций сульфатов (они могут выступать в качестве маркеров вулканических извержений) в ледниковом керне горы Белуха с индексами вулканической
Индексы вулканической активности
Название индекса Единицы измерения Методика расчёта Литература
Dust veil index (DVI) Извержение вулкана Кракатау (БУГ = 1000) Наблюдения за закатами, излучением и извержениями [37] [22-24, 37]
Mitchell Масса аэрозолей На основе данных Х.Х. Лэма [27]
Volcanic explosivity index (VEI) Извержение вулкана Кракатау (УЕГ = 6) Извержения, геологические и исторические отчёты [28, 39, 40]
Sato т(А. = 0,55|1ш) Радиационные и спутниковые наблюдения [25] [38]
Ice core volcanic index (IVI) т(А. = 0,55|1ш) На основе изменений кислотности и концентраций сульфатов в ледниковых кернах [33-34]
активности, разработанными для оценки степени воздействия извержения вулканов на окружающую среду. Сейчас наиболее широко используют пять индексов вулканической активности (таблица). В исследованиях последних лет чаще применяют три из них — VEI, DVI, IVI.
Volcanic Explosivity Index (VEI) введён в 1982 г. Кр. Ньюхоллом и С. Селфом [28, 34]. Этот индекс используется преимущественно для оценки относительной мощности вулканического извержения. При определении значения индекса VEI для каждого вулканического извержения учитываются как количественные (объём выброшенных вулканических продуктов извержения и высота вулканического облака), так и качественные характеристики (например, визуальная оценка мощности извержения). Вычисляется индекс VEI для каждого извержения отдельно и измеряется в относительных единицах. С
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.