тштшчштшш ш тгмтмшмш
Палеоклиматическая интерпретация изотопного состава и возраст ледяного керна со станции Восток, Центральная Антарктида
Е.А. Цыганова, А.Н. Саламатин
Казанский государственный университет, Россия
Статья поступила в редакцию 27 августа 2005 г. Представлена главным редактором В.М. Котляковым
В обзоре систематизируются и обобщаются недавние результаты моделирования по определению возраста льда и палеоклиматической интерпретации данных изотопного анализа ледяного керна и термометрии глубокой скважины на станции Восток в Антарктиде.
Введение
Ледниковый покров Антарктиды хранит свою историю и ведет летопись климата нашей планеты. Трудно разгадать язык природы и прочитать эту книгу. Чем больше информации мы получаем о глубинном строении ледника и свойствах льда центральной Антарктиды, тем яснее понимаем, сколь наивными были наши прежние суждения и сколь неопределенными могут быть наши модели и новые выводы. И все-таки, каждая очередная попытка интерпретации все возрастающего объема данных с учетом приобретенного ранее опыта, скорее всего оказывается более удачной.
Так как же расшифровать изотопные палеокли-матические сигналы ледяных кернов? О чем может рассказать температурное поле ледника Антарктиды? Что мы знаем о возрасте льда, и как его определить, если нельзя измерить? И, наконец, какова степень неопределенности получаемых результатов? Этим вопросам на примере интерпретации данных по одному из самых глубоких ледяных кернов, полученных на станции Восток (центральная Антарктида) и посвящен данный обзор, в основу которого положены недавние исследования [2, 19, 77-79, 84, 96], выполненные при непосредственном участии авторов.
Станция Восток привлекает к себе особое внимание также в связи с тем, что непосредственно под ней расположено уникальное по размерам подледни-ковое озеро [50]. Схематичная карта окрестностей озера Восток, составленная на основе данных [89], приведена на рис. 1а. Кроме собственно изучения динамики ледника и процессов формирования палеокли-матических сигналов в его толще, исследование теп-лопереноса вдоль линий тока льда, начинающихся на ледоразделе В и проходящих через озеро, в частности, через станцию Восток, имеет первостепенное значение для понимания явлений газо- и водообмена между ледниковым покровом и подледным водным бассейном, а также биологических процессов и возможного происхождения микробных форм жизни в озере (см. например, [87]). Нестационарные температурные поля определяют процессы намерзания воды и таяния льда на контакте вода — лед [65, 66, 82, 93] и, следовательно, засоленость озера и скорость накопления в нем атмосферного воздуха в форме растворенного газа и/или воздушных гидратов [56, 59]. Температурные условия вдоль траекторий движения льда непосредственно контролируют рост воздушных гидратов [21, 81] и состояние микроорганизмов, переносимых через толщу ледника с его поверхности к озеру.
Палеоклимат «в памяти» ледникового покрова Антарктиды
Изотопный состав льда. Обширные данные подтверждают существование корреляции содержания стабильных изотопов кислорода 8180 и водорода 8Б в осадках с локальной температурой Ti конденсации атмосферной влаги в районе их формирования и выпадения [4, 9, 25, 26, 32, 37]. Считается, что в Централь-
ное.
100 200 Расстояние от ледораздела, км
Рис. 1. Географические условия в районе станции Восток и проходящие через нее линии тока льда. (a) Схематическая карта окрестностей озера Восток, подготовленная по данным [89], и линия тока льда, рассматриваемая в расчетах (см. текст). (б) Современная толщина ледникового покрова Д0, относительная ширина трубки тока H и нормированный профиль скорости аккумуляции b в зависимости от расстояния, измеряемого от ледораздела В вдоль рассматриваемой трубки тока на (a); базовые варианты показаны сплошными жирными линиями. Остальные пояснения в тексте Fig. 1. Geographic conditions in the vicinities of Vostok Station along the Vostok flow line. (а) A schematic map of the Vostok Lake vicinities adapted after [89] and the Vostok flow line considered in our simulations (see text). (б) The present-day ice-sheet thickness Д0, the relative ice flow tube width H and normalized accumulation rate b versus distance measured from Ridge B along the reference flow line in (а); the basic variants are shown by bold solid lines
ной Антарктиде эта температура совпадает с температурой верхней части инверсионного слоя или с температурой нижней границы облачности. Следует, однако, иметь в виду, что изотопный состав глубинных ледяных кернов может отличаться от изотопного состава осадков за счет последующего метаморфизма поверхностного снега и массообмена с атмосферной влагой. Интенсивность эффектов сублимации и рекристаллизации снежных отложений (см. например, [5, 53, 86]) прежде всего определяются температурой ^ в приповерхностном слое ледника, которая в Центральной Антарктиде вследствие развитой температурной инверсии существенно отличается от Ti. В результате содержание стабильных изотопов в ледяном керне будет соответствовать некоторой эффективной температуре, абсолютное значение которой в общем случае может и не совпадать ни с какой из инструментально измеряемых характеристик. При этом все же предполагается, что относительные температурные флуктуации, реконструируемые по изменениям изотопного состава льда, не сильно отличаются от реальных колебаний эффективной температуры конденсации атмосферной влаги. Детальный анализ современных изотопно-температурных корреляций по данным метеорологических наблюдений, исследований в шурфах и скважин-ной термометрии за последние 50 лет, выполненный в [8, 11, 33, 34], подтверждает это замечание. Значение производного палеоклиматического сигнала, эксцесса дейтерия dex = 8Б — 88180 и его связь с термодинамическими условиями образования влаги в районе испарения и, в первую очередь, с температурой ее источника ^ были продемонстрированы в [44, 46, 47, 68]. Полная сводка данных об изотопном составе ледяного керна из глубокой скважины на станции Восток до глубины 3310 м и их подробное обсуждение представлены в [98]. Рис. 2 воспроизводит результаты этих измерений вместе со сплайновой аппроксимацией флуктуаций характеристик изотопного состава льда по глубине. Значительно более детальные экспериментальные исследования по содержанию дейтерия в восточном ледяном керне до глубины 3350 м были выполнены ранее и систематизированы в [67].
Целесообразность совместного использования двух изотопных сигналов, например, 8Б и dex, при их палеоклиматической интерпретации и необходимость одновременной реконструкции температурных изменений в областях испарения влаги и аккумуляции твердых осадков (льда) обоснованы в [28, 97]. Для изучения относительно небольших температурных возмущений было предложено ограничиться линейными зависимостями вида
Д8Б
YAT - YwT + Ym^18°m >
-PiД^ + PwДTw - РтД818от
(1a)
Здесь 8180т — концентрация изотопов кислорода в водах мирового океана, А означает отклонение рассматриваемых характеристик от их современных значений; уг, Ym, в г Pw, Pm — регрессионные коэф-
фициенты, которые считаются положительными величинами и характеризуют климатические связи рассматриваемого района с процессами атмосферной циркуляции.
При заданной поправке на изотопный состав морской воды А818От [22, 42, 67, 92] система алгебраических уравнений (1а) позволяет рассчитать изменения климатических параметров АТ1 и АТК по изотопному составу льда А8Б и Айех. Если же в качестве первого приближения предположить [52] пропорциональность температурных колебаний, полагая АТШ » гАТ, то из первого уравнения (1а) будет следовать соотношение [45], традиционно использовавшееся в палеореконструкциях для оценки флуктуа-ций инверсионной температуры
АTi = (А8Б-УтА818От)/Ст , ^ = У1 - . (1Ь)
Одновременно, в соответствии с [75], считается, что количество осадков (скорость аккумуляции льда Ь) в Антарктиде коррелирует с давлением насыщения водяного пара на верхней границе инверсионного слоя и может быть рассчитано по формуле [72, 73]
b = bo b(s)exp(n6 AT) ,
"I i i г 200 300
Возраст, тыс.лет
400
Рис. 2. Измеренные значения содержания дейтерия и эксцесса дейтерия в ледяном керне со станции Восток по глубине [98] (точки) и их сплайновые аппроксимации (сплошные линии) Fig. 2. Deuterium content and deuterium excess measurements in the Vostok ice core versus depth [98] (dots) and their spline approximations (solid lines)
Т'0 = -38,0±0,6°С [33] г\ъ~0,112°С-1. Близкие оценки Пъ ~ 0,10—0,14°С-1 следуют из экспериментальных данных о зависимости скорости аккумуляции льда от изотопного состава поверхностного слоя снега в Восточной Антарктиде вдоль маршрута «обсерватория Мирный — станция Восток» [7, 10, 33] и в районе Земли Королевы Мод, вдоль маршрута «станция Сйо-ва — Купол Фуджи» [85].
Как уже отмечалось, наличие развитой температурной инверсии над Антарктическим плато приводит к существенному различию между температурой поверхности ледникового покрова Тз и инверсионной температурой Т(, предопределяя в общем случае необходимость разработки специальных подходов к реконструкции изменений поверхностной температуры АТз в прошлом. В [46] на основе современных пространственных распределений поверхностной и инверсионной температур было предложено считать колебания АТз и АТ} пропорциональными:
ATS = AT/Ci .
(3)
(2)
где ъ0 — современное значение скорости аккумуляции в заданном районе наблюдений (з = ^0), Ъ(з) — нормированный профиль ее пространственного распределения, например, вдоль выделяемой линии тока льда с расстоянием з, отсчитываемым от ледораздела.
Коэффициент Пъ в уравнении (2), согласно [73], выражается через современное значение температуры конденсации (температуры Т10 на верхней границе инверсионного слоя) Пъ =6148,3/(273,15+ Т}0)2 и при
Соотношения (1)-(3) составляют теоретическую базу палеореконструкций на основе информации, содержащейся «в памяти» антарктического ледника в виде изотопного состава льда. Основная проблема их практического использования заключается в нахождении достоверных оценок для
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.