В поисках древнейшего льда на Земле

По какой-то причине у нас, людей, есть тяга ко всяким древностям. Нам нравится узнавать о том, какой из городов на Земле самый старый; когда и кем были созданы первые механические часы, построена первая пивоварня, сделан первый наскальный рисунок; сколько лет самому старому дереву и самому старому камню. Иногда за этими вопросами стоит не только праздное любопытство, но и научный интерес. Мы расскажем о самом древнем льде на нашей планете — где его можно найти, каков его возраст и зачем он нам нужен.

Интерес к прошлому связан с тем, что без знания и понимания движущих сил какого-либо процесса на предыдущих этапах его развития трудно адекватно оценить современную ситуацию и спрогнозировать будущие изменения. Яркий пример — климат. Инструментальные наблюдения за погодой и климатом начались примерно 150 лет назад (где-то раньше, где-то позже), и эти полтора века характеризуются довольно интенсивным изменением климатических характеристик, в том числе — значительным повышением температуры воздуха. Но чтобы понять механизмы и причины этих изменений, нам необходимо знать, каков был климат в доиндустриальную эпоху — сотни и тысячи лет назад, когда влияние человека на окружающую среду было относительно слабым. Изучением того, что собой представляла географическая оболочка нашей планеты в прошлом (до начала инструментальных измерений), занимается палеогеография, включающая в себя палеоклиматологию.

Методов и объектов исследования палеогеографии — великое множество, но если говорить в общем, то данные о прошлом записаны в «природных архивах» — объектах, в которых происходит непрерывное накопление материала, и свойства этого материала несут в себе информацию о том, при каких условиях он образовывался. Наиболее яркие примеры таких «архивов» — годичные слои деревьев и кораллов, донные осадки озер и морей, сталактиты пещер, лёссовые отложения пустынь, слои снега и льда в ледниках.

Анализ климатических рядов за последние 2000 лет, полученных на основе этих данных, в частности, показал, что современное потепление беспрецедентно по скорости и величине и не вписывается в рамки естественной изменчивости [1].

Особое место среди методов палеогеографии занимает бурение полярных ледяных щитов и изучение извлекаемых ледяных кернов. Ледяные слои накапливаются непрерывно на протяжении долгого времени, могут быть легко датированы и позволяют с большим разрешением реконструировать климатические условия, при которых они формировались. Так, изотопный состав льда (соотношение тяжелых и легких изотопов водорода и кислорода) зависит от температуры воздуха в момент выпадения осадков; содержание химических примесей и пыли может рассказать о характере атмосферной циркуляции, вулканической активности, площади морского льда, биологической продуктивности и других параметрах окружающей среды. Наконец, ледяные керны — единственный источник прямых данных о газовом составе атмосферы в прошлом, в том числе — о концентрации парниковых газов. Дело в том, что в центральных частях полярных ледников температуры настолько низкие, что даже летом не поднимаются выше 0 °C — соответственно, о таянии нет и речи, и лед образуется сухим способом за счет медленного спрессовывания снежных зерен. При этом воздух, содержащийся в порах снега, захватывается льдом и сохраняется в неизменном виде на протяжении тысячелетий.

Первые глубокие скважины во льду Гренландии и Антарктиды были пробурены в начале 1960-х годов, и с тех пор там было выполнено несколько десятков буровых проектов. В ­1990-х годах на российской станции Восток (рис. 1) был успешно осуществлен российско-франко-американский проект глубокого бурения льда, благодаря которому был получен климатический ряд длиной 420 тыс. лет [2]. Впервые была надежно подтверждена важнейшая климатообразующая роль парниковых газов, а также показано, что современная их концентрация сильно превышает естественную изменчивость на протяжении последнего полумиллиона лет. В 2020 году концентрация СО2 достигла 413 ppm (частей на миллион), а в древности составляла от 180 ppm в холодные эпохи до 280 ppm в теп­лые (рис. 2).

Данные ледяных кернов с самого начала широко использовались в отчетах Международной группы экспертов по климату [3] в качестве того естественного фона, на который накладываются антропогенные изменения климата и окружающей среды в современную эпоху.

На сегодняшний день самый длинный климатический ряд по ледяному керну (800 тыс. лет) получен в результате бурения льда в рамках европейского проекта EPICA в центральной части Восточной Антарктиды [4].

Изучение ледяных кернов позволило установить общие закономерности естественных изменений климата планеты за последние 0,8 млн лет. В первом приближении изменения температуры были квазипериодическими и асимметричными. Приблизительно каждые 100 тыс. лет имели место короткие теплые межледниковья, сменявшиеся длинными холодными ледниковыми периодами, причем переход от теплых эпох к холодным был постепенным, а переход от холодных эпох к теплым — резким и интенсивным. Голоцен — современное межледниковье, в котором мы живем, — начался 11 700 лет назад. Интересно, что самый теплый этап голоцена, его термический оптимум, мы прошли 6–8 тыс. лет назад и с тех пор медленно двигались к следующему ледниковому периоду, но современное антропогенное потепление повернуло этот процесс вспять.

Первопричиной этих 100-тысячелетних климатических колебаний были так называемые циклы Миланковича — изменения параметров орбиты Земли, таких как наклон оси вращения, прецессия равноденствий и эксцентриситет (подробнее об этом см. [5]). В ходе циклов Миланковича немного меняется приход солнечного тепла к высоким широтам Северного полушария в летнее время — это оказывает влияние на баланс массы покровных ледников и запускает сложный каскад обратных связей в климатической системе Земли, которые усиливают изначально слабый сигнал «солнечного форсинга».

Казалось бы, на этом историю можно закончить. Действительно, 800 тыс. лет — это колоссальный период по сравнению с историей человеческой цивилизации, которая насчитывает немногим более 5 тыс. лет (если вести отсчет от изобретения письменности). Но с другой стороны, 0,8 млн лет — это краткий миг не только по сравнению с геологической историей Земли (4,5 млрд лет), но даже по сравнению с кайнозоем — эрой млекопитающих, которая началась 65 млн лет назад с гибелью динозавров.

Об этих прошлых эпохах мы знаем гораздо меньше, чем о последних сотнях тысяч лет, — просто потому, что в нашем распоряжении гораздо меньше «климатических архивов», откуда можно почерпнуть информацию о столь далеком прошлом. Если говорить о кайнозойской эре, то основной источник информации — морские донные осадки. Известняковые раковины микроскопических морских животных, фораминифер, в течение миллионов лет откладываются на дне океанов, и изотопный состав этих осадочных пород позволяет реконструировать температуру планеты на протяжении всего кайнозоя [6]. И эти данные говорят о том, что всего лишь два миллиона лет назад климатическая изменчивость планеты отличалась от той, которая нам известна по ледяным кернам: период колебаний был существенно короче (40 тыс. лет вместо 100 тыс. лет), а амплитуда колебаний — примерно вдвое меньше.

Переход от 40-тысячелетнего режима к 100-тысячелетнему («среднеплейстоценовый климатический переход», или, по-английски, MPT — Mid-Pleistocene Transition) начался примерно 1,2 млн лет назад и закончился 0,85 млн лет назад (рис. 3). Причина MPT до сих пор остается загадкой. Действительно, ведь циклы Миланковича были одинаковыми что сейчас, что два миллиона лет назад. А вот климатический отклик Земли — изменился.

Есть несколько гипотез, которые пытаются объяснить причины MPT, но все они так или иначе подразумевают ключевую роль парниковых газов [7]. В эпоху до MPT концентрация СО2 была в целом выше, ее изменчивость между холодными и теплыми эпохами — ниже, и это приводило к уменьшению периода и амплитуды колебаний климата. Соответственно, чтобы подтвердить эту гипотезу, ученым нужен лед возрастом как минимум 1,5 млн лет, ведь, как мы уже знаем, только лед полярных ледников содержит в себе образцы древней атмосферы. Исследования такого льда могли бы не только пролить свет на причины MPT, но и дать представление о том, как будет выглядеть наша планета в недалеком будущем (в XXII веке) в случае, если человечеству не удастся радикально снизить выбросы СО2 в ближайшие десятилетия.

Так есть на Земле такой древний лед или нет? До недавнего времени об этом можно было рассуждать лишь теоретически, оперируя результатами компьютерного моделирования динамики льда.

Прежде всего, необходимо различать возраст самого ледника как географического объекта и возраст слагающего его льда. Покровное оледенение Антарктиды существует, то сокращаясь, то расширяясь, как минимум последние 34 млн лет [6]. Но слагающий его лед гораздо моложе, поскольку он находится в постоянном движении: более старые слои льда опускаются вниз и сжимаются, растекаясь в стороны, и в конце концов оканчивают свой путь на краю ледника, откалываясь в виде айсбергов. А сверху падает свежий снег, который постепенно уплотняется и формирует новые слои льда.

Об условиях, которые благоприятствуют сохранению древнего льда в базальных (придонных) горизонтах ледника, я уже рассказывал в заметке, посвященной нашей экспедиции на Ледораздел Б в Антарктиде [8]: малая скорость снегонакопления, не слишком большая и не слишком маленькая толщина льда (порядка 2500 м), небольшая величина геотермального потока тепла. Кроме того, необходимо, чтобы ледяные слои лежали ровно, не были перемешаны и не образовывали складок — то есть искомый лед должен залегать в районе ледяных куполов или ледоразделов, где горизонтальное движение льда минимально. Моделирование возраста льда говорит о том, что миллионолетний лед действительно должен существовать в центральных частях Восточной Антарктиды [9].

А с недавних пор мы точно знаем, что такой лед на самом деле существует.

В 2019 году американские ученые опубликовали результаты изучения образцов «голубого льда», полученных в районе Аллан-Хиллз недалеко от станции Мак-Мёрдо [10]. «Голубой лед» формируется ­преимущественно в прибрежных частях Антарктиды, в районах с отрицательным балансом массы (как правило, свежий снег здесь сдувается сильным ветром и сублимирует), и на поверхность выходят древние слои льда. Лед Аллан-Хиллз был датирован по изотопному составу аргона в воздушных пузырьках внутри этого льда, и возраст самого древнего образца оказался равным 2,7 млн лет. К сожалению, по этим образцам нельзя реконструировать последовательность климатических событий в ходе MPT, они лишь дают «снимки», временные срезы изотопного состава льда и концентрации парниковых газов в атмосфере в определенные моменты времени — но, во всяком случае, эти данные не противоречат гипотезе о том, что в эпоху до MPT изменчивость концентрации СО2 в атмосфере была ниже, чем в течение последнего миллиона лет. И заодно отметим, что в целом концентрация этого газа в воздухе без малого 3 млн лет назад была существенно ниже, чем сейчас.

Еще интереснее, что древний лед был обнаружен в том самом керне со станции Восток, который имелся у нас в руках уже на протяжении 20 лет! В интервале глубины 3310–3538 м «восточного» керна содержатся перемешанные и перевернутые слои атмосферного (то есть образовавшегося из атмосферных осадков) льда. С самого начала было понятно, что их возраст превышает 420 тыс. лет, но определить его не было возможности, поскольку обычные методы датирования, основанные на моделировании динамики льда, к такому льду неприменимы. Но недавно были предложены два новых метода абсолютного датирования: один основан на измерении размера гидратов воздуха во льду (диаметр которых непрерывно увеличивается с возрастом), а второй — на измерении концентрации радиоактивного изотопа криптона 81Kr. Эти методы показали, что в нижних слоях указанного интервала возраст льда достигает 1,2 млн лет [11].

Таким образом, древний лед действительно существует — осталось лишь найти такое место, где слои этого льда характеризуются, как говорят геологи, «согласным залеганием» — не перевернуты, не перемешаны и содержащийся в них климатический сигнал не стерт молекулярной диффузией.

И за этим льдом развернулась настоящая охота! О своих планах по поиску, бурению и изучению древнего льда объявили все ведущие антарктические страны. Япония будет искать его неподалеку от своей станции «Купол Фудзи» [12], Китай — в районе Купола А, где расположена станция Куньлунь [13]. США планирует поиск и бурение древнего льда в районе между Южным полюсом и Куполом А в ближайшие 10 лет [14]. Интерес к древнему льду выразили Австралия, Южная Корея и ряд других стран.

На данный момент дальше всех в этой гонке продвинулись европейцы: их проект «Beyond EPICA — Oldest Ice», в котором участвуют 14 научных центров из 10 стран, официально начался 1 июня 2019 года. Они уже определили место будущего бурения — оно расположено на Малом Куполе С в 50 км от станции Конкордия в точке с координатами 75,30° ю. ш. и 122,45° в. д., где в январе 2020 года была забурена скважина глубиной 240 м [15]. В летний антарктический сезон 2020/2021 работы там не проводились из-за пандемии ковида, продолжение бурения намечено на декабрь 2021 года.

У России есть шанс оказаться среди лидеров этого соревнования. Во-первых, древний лед уже есть у нас в руках, хотя и с искаженным климатическим сигналом. Во-вторых, есть большой шанс, что еще более древний лед — и притом с ненарушенной последовательностью слоев — залегает в основании ледника в районе Ледораздела Б (70,02° ю. ш. и 93,69° в. д.) на расстоянии 300 км от станции Восток — то есть в той точке, откуда ледник течет в сторону Востока.

В январе 2020 года состоялся первый научный поход в эту доселе не исследованную область [8]. Полученные данные позволили выполнить моделирование температуры и возраста льда в этой точке, которое показало, что температура на ложе ледника составляет около –13 °C (то есть таяние льда маловероятно), а возраст льда на отметке 60 м над ложем составляет не менее 1,2 млн лет. Эти результаты вскоре будут опубликованы в первом номере журнала «Лед и снег» за 2021 год [16].

Конечно, мне бы хотелось закончить эту заметку словами о том, что вскоре мы начнем глубокое бурение на Ледоразделе Б. Но увы — подобные проекты стоят относительно недешево, грантом Российского научного фонда здесь не обойдешься, нужно целевое государственное финансирование.

Готова ли Россия поддержать подобный проект? Надеюсь, ответ мы узнаем в текущем году.

Алексей Екайкин, вед. науч. сотр. лаборатории
изменений климата и окружающей среды Арктического и антарктического НИИ

1. PAGES 2k Consortium, 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0400-0
2. Petit et al. // Nature. 1999. V. 399. P. 429–436. nature.com/articles/20859
   
3. ipcc.ch
4. Jouzel et al., 2007. DOI: 10.1126/science.1141038
5. trv-science.ru/v-chem-ne-prav-gorodnickij/
6. Westerhold et al., 2020. DOI: 10.1126/science.aba6853
7. Chalk et al., 2017. DOI: 10.1073/pnas.1702143114
8. trv-science.ru/2020/09/pervyj-nauchnyj-poxod-na-ledorazdel-b-v-antarktide/
9. Fischer et al., 2013. DOI: 10.5194/cp-9-2489-2013
10. Yan et al., 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1692-3
11. Lipenkov V.Y., Ekaykin A.A., 2018. DOI: 10.15356/2076-6734-2018-2-255-260
12. Karlsson et al., 2018. DOI: 10.5194/tc-12-2413-2018
13. Zhao et al., 2018. DOI: 10.5194/tc-12-1651-2018
14. icedrill.org/long-range-science-plan
15. beyondepica.eu/en/
16. ice-snow.igras.ru/jour/issue/archive