Анализ изотопных рядов в ледяных кернах и морских донных осадках
О.О. Рыбак, Е.А. Рыбак
Сочинский научно-исследовательский центр РАН
Статья потупила в редакцию 25 октября 2005 г. Представлена членом редколлегии В.Н. Голубевым
Проанализированы спектральные характеристики изотопных рядов, полученных по антарктическим ледяным кернам и морским донным осадкам. Проверяется соответствие типов спектров циклам Миланковича и определяются взаимозависимости между рядами.
Введение
Одна из фундаментальных проблем экологии и географии — глобальные изменения природной среды. Начиная с XIX в., когда были выявлены факты неоднократных оледенений Земли, появились различные гипотезы, объясняющие причины колебаний климата, возникновение оледенений и межледнико-вий. Многочисленные косвенные источники (вариации изотопного состава; размер годовых колец деревьев и т.п.) свидетельствуют о масштабных изменениях климата в течение всей истории планеты. Характерная особенность позднего плейстоцена (последний миллион лет) — это регулярно сменяющие друг друга относительно теплые и холодные состояния климата. С периодичностью примерно 100 тыс. лет огромные массы пресной воды накапливались в континентальных ледниковых щитах. В течение последнего ледникового максимума толщина щитов в Северном полушарии достигала 4 км, а аккумулированная в них вода была эквивалентна понижению уровня Мирового океана на 80—165 м [6]. Современные Антарктический и Гренландский ледниковые щиты содержат объем льда, который эквивалентен приблизительно 70 м глобального уровня моря [14]. Ледниковые щиты — инерционная, стабилизирующая часть климатической системы [9], поэтому детальные сведения о механизмах их эволюции и связях с температурой воздуха, циркуляцией атмосферы и ее химическим составом необходимы для оценок будущих состояний климата.
Механизмы чередования ледниковых эпох и межледниковий известны лишь в общих чертах. Считается [15], что квази-циклическая смена оледенений и межледниковий происходит вследствие гармонических колебаний параметров орбиты Земли: эксцентриситета, склонения и прецессии оси (астрономическая теория Миланковича). Периодичность оледенений не была постоянной в течение всего четвертичного периода: очевидное преобладание средней периодичности около 100 тыс. лет характерно для последних 400 тыс. лет — последних четырех климатических циклов. Именно эта компонента преобладает в изменениях объема оледенения как в Северном полушарии, так и в Антарктиде. Ее, как правило, связывают с колебаниями эксцентриситета земной ор-
биты. Интересно отметить, что климатический сигнал (с ним ассоциируют колебания солнечной 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). Для объяснения этого парадокса были предложены многочисленные гипотезы, рассмотрение которых выходит за рамки настоящей работы.
В многочисленных публикациях последних трех десятилетий [12 и др.] отмечается совпадение периодичности колебаний изотопного состава ледяных кернов, полученных в Антарктиде и Гренландии, и морских донных осадков с циклами Миланковича.
Именно изотопный состав ледяных кернов и донных океанических осадков можно считать важнейшим косвенным свидетельством изменений температуры воздуха и уровня Мирового океана на протяжении сотен тысяч лет. Это два относительно независимых источника, поскольку физические механизмы фиксации климатических характеристик в каждом случае различны. В природных условиях фракционирование изотопов обусловлено состоянием окружающей среды. Соотношение тяжелых и легких изотопов в осадках над ледниковым щитом фиксирует температуру воздуха, при которой происходит конденсация влаги. Оно, однако, несет отпечаток метеоусловий — температуры воздуха и в меньшей степени его влажности и скорости ветра в том районе Мирового океана, откуда поступила частица влаги [16]. Модельные расчеты показывают, что осадки над Антарктидой формируются из воды, испарившейся в разных регионах Южного полушария. При переходе от оледенений к межледниковьям изменяется соотношение долей каждого источника влаги [7, 8]. Ледниковые щиты в течение гляциальных фаз аккумулировали влагу с пониженным содержанием 18О. При резком потеплении климата и таянии ледников эта более «легкая» в изотопном отношении вода поступала в океаны.
В настоящей работе анализируются изменения изотопного состава без пересчета последнего в значения температуры воздуха с тем, чтобы исключить дополнительные искажения исходных данных. Для пересчета изотопного состава ледяного керна в значе-
ния температуры воздуха необходимо ввести две поправки: «океаническую», зависящую от среднего изотопного состава Мирового океана (до 0,6 ^ в ледниковую эпоху [22]), и на изменения локальной высоты географической точки, где был получен керн (2 ^ и более [14]). Введение второй поправки требует сложных модельных расчетов.
Необходимо также сделать следующие важные допущения: 1) градиент термической инверсии постоянен, так что температура у верхнего слоя инверсии линейно связана с приземной, т.е. с температурой у поверхности ледникового щита [18]; 2) «временная» производная температуры по изотопному составу равна современной «пространственной» производной [16].
Изменения изотопного состава донных осадков в первом приближении можно считать хорошим индикатором колебаний объема Мирового океана (или, что то же самое, гляциоэвстатической компоненты глобального уровня океана) [21]. Изотопный состав фораминифер зависит от изотопного состава морской воды и в меньшей степени от ее локальной температуры и солености в момент отложения осадков. При этом локальные колебания температуры и солености больше в верхнем слое океана и соответственно они больше сказываются на вариациях изотопного состава фораминифер верхнего слоя океана (планктона), чем придонных фораминифер (бентоса).
Для пересчета изотопного состава донных осадков в уровень моря нужно перемасштабировать соответствующий изотопный ряд, исходя из надежных абсолютных значений максимума и минимума уровня моря, которые зафиксированы в других независимых источниках.
Поскольку описанные выше операции неизбежно вносят некие априорные сведения в первоначальные данные, в настоящей работе мы проанализировали исходные изотопные ряды. Тем не менее, даже эти ряды содержат, каждый в разной мере, привязки к различным временным маркерам, без чего датировка данных была бы невозможна.
Отправной точкой для расчета спектральных характеристик изотопных рядов служит разработка хронологической шкалы. Датировка донных осадков и льда в особенности — трудоемкий процесс. Хро-
нологическая шкала должна учитывать скорость аккумуляции и ее изменения в прошлом, а для льда — и его трехмерную динамику. Возраст морских осадков зависит от скорости осадконакопления. Она почти постоянна на протяжении длительных эпох, однако меняется при переходе от ледниковых периодов к межледниковьям.
При построении хронологических шкал часто прибегают к процедуре орбитального тьюнинга, т.е. к подгонке по времени того или иного значения («события») в исходном ряду к главным астрономическим периодам. Частотная область выше частоты изменения прецессии при орбитальном тьюнинге остается неизменной. Поскольку тьюнингу подвержена датировка (в частотной области соответствующая фазе), а не абсолютная величина (амплитуда), то, сравнивая спектральные плотности нормированных рядов, можно сделать вывод об относительном вкладе тех или иных астрономических частот в общий спектр изменчивости изотопного состава и тем самым в спектр изменения температуры воздуха или глобального уровня моря. Использование тьюнинга может привести к искажению спектральной структуры исходных рядов и возникновению разного рода артефактов в спектрах [10]. В [3], например, отмечается, что достоверные оценки спектров климатических рядов не получены до сих пор, и, таким образом, непредвзятая оценка влияния циклов Миланковича на динамику климата представляет собой сложную задачу.
Цель нашего исследования — определить как астрономические циклы проявляются в изменчивости климата, используя ряды изотопных данных. Для этого решаются следующие задачи: 1) определяются типы спектров индивидуальных рядов (проверка на соответствие циклам Миланковича); 2) выявляются взаимозависимости между изотопным составом ледяных кернов и морскими донными осадками.
Исходные данные, их предварительная обработка
и метод анализа
В качестве исходных данных служили изотопные ряды, их краткие характеристики представлены в табл. 1. Мы анализируем б1^ из ледяного керна, полученного на антарктической станции Купол Фуджи [23], SD на станциях Восток [19] и Купол Конкордия [11],
Таблица 1
Характеристики рядов изотопного состава морских донных отложений и ледовых кернов
Ряды Тип данных Начало ряда, Конец ряда, Интервал, Пересчитанный
тыс. л.н. тыс. л.н. тыс. лет интервал, лет
B94 планктон, б1^ 890 6 2
SPECMAP планктон, б1^ 782 0 1
S704 планктон, б1^ 663 0 50
^002 бентос, б1^ 861 5 1
DF ледяной керн, б1^ 337 0 50
Vostok ледяной керн, бD 420 0 50
DC ледяной керн, бD 739 0 50
Таблица 2
Результаты одномерного спектрального анализа
Ряды Интегральный линейный тренд, S18O или SD, %0 Оптимальный порядок авторегрессионной модели Первый частный коэффициент авторегрессии Период (тыс. лет) статистически значимых пиков
B94 20 0,859 89; 23,5
SPECMAP 0,448 16 0,877 100; 23,5
S704 0,264 4 0,823
K2002 0,177 11 0,919 100
DF 0,139 9 (6*) 0,726
Vostok 11,019 2 0,781
DC 13 0,827 100
*Согласно параметру Парзена.
соответственно обозначаемых ниже как DF, Vostok и DC, и S18O морских донных осадков. Исследованы четыре архива, два из которых — стеки SPECMAP [15] и K2002 [17] — составлены из осредненных данных нескольких скважин, B94 [4] — стек двух скважин (в Индийском и Тихом океанах) и S704 — стек двух близлежащих скважин в Южной Атлантике [13]. B94, SPECMAP, S704 представляют собой «планктонные» ряды, K2002 — «бентосный» ряд.
Все исходные ряды имели различное разрешение. «Морские» изотоп
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.