Возможны осадки в виде изотопов

Как современная химия позволяет нам понять прошлое и будущее климата Земли

Для изучения изменений климата на Земле недостаточно инструментов, позволяющих непосредственно наблюдать погодные условия. Подобные наблюдения ведутся всего двести лет и в лучшем случае позволяют зафиксировать, что мы стали современниками глобального потепления. Для того чтобы осознать масштабы этого явления, точно установить его причины и выдвинуть убедительные прогнозы, требуется другой уровень исследований — уровень изучения изотопного состава воды и воздуха. С помощью ученых Уральского федерального университета мы разобралась, как эта наука помогает заглянуть в прошлое и прогнозировать будущее.

Парниковые газы в атмосфере работают как стекло в парнике. Они пропускают к поверхности солнечное излучение видимого диапазона, но зато поглощают инфракрасное (то есть тепловое) излучение от поверхности. Без парниковых газов в атмосфере средняя температура на Земле была бы ниже нуля, и история климата показывает, что периоды оледенения всегда сопровождались падением концентрации углекислого газа.

При этом углекислый газ — не самый значимый парниковый газ в атмосфере, намного более значимый эффект оказывает водяной пар. Однако люди почти не влияют на количество водяного пара, а вот выбросы углекислого газа они увеличить вполне в состоянии и успешно это делают на протяжении всей индустриальной эпохи. Кроме того, в промышленные выбросы входят многие другие очень мощные парниковые газы, например хлорфторуглероды, которые влияют еще и на озоновый слой, или метан, который обильно производят сельскохозяйственные животные.

Действительно, на протяжении последних 40–50 лет исследования климатологов, как российских, так и зарубежных, показывают, что то быстрое изменение климата, которое мы наблюдаем в последние полтора столетия, с вероятностью 95 процентов обусловлено деятельностью человека. «Деятельность человека» в данном случае — это сжигание угля, нефти и газа (при которых в атмосферу попадает углекислый газ), неправильное управление отходами (это свалки, на которых образуется метан), некоторые процессы в промышленности и сельском хозяйстве.

Откуда мы знаем, что в изменении климата виноваты именно мы? Во-первых, нам точно известно, что беспрецедентно высокие уровни концентрации CO2 в атмосфере объясняются, скажем, не деятельностью вулканов, а функционированием нашей энергетики. Во-вторых, современные модели климата Земли не могут объяснить то, что происходило со средней температурой в XX веке, одними только естественными факторами климатической изменчивости. Оба вывода никак нельзя было бы сделать без метода, который у обывателя вряд ли ассоциируется с исследованиями погоды и климата, — изотопного анализа.

Чтобы во всем разобраться, для начала познакомимся с эффектом Зюсса. Так ученые по имени первооткрывателя этого эффекта называют снижение в атмосфере концентрации CO2 с радиоактивным изотопом 14C. Этот изотоп образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием как естественных факторов — космических лучей, радиации от Солнца, вулканической деятельности, так и искусственных — например, атмосферных ядерных испытаний 1950-1960-х годов. Хотя период полураспада 14C составляет 5,7 тысячи лет, в среднем благодаря его распаду концентрация 14CO2 в атмосфере стабильно поддерживается на одном уровне.

Точнее, поддерживалась. На протяжении последних ста с лишним лет мы, сжигая углеродное топливо, быстро наполняли атмосферу стабильными изотопами 12C и 13C, и отношение 14C к этим изотопам уверенно падало. Так как распада стабильных изотопов не происходит, то концентрация CO2 в атмосфере постоянно растет, больше не снижаясь. Это фиксируют как главная мировая обсерватория на Мауна-Лоа, так и другие станции по всему миру, включая Россию, и можно не сомневаться: причиной этого является экономическая деятельность человека.

На соотношении стабильных изотопов и 14C построен метод радиоуглеродной датировки, за который американский ученый Уиллард Либби в 1960 году получил Нобелевскую премию по химии, — его используют как для определения возраста льда (это нам еще понадобится), так и для датировки артефактов. Интересно, что эффект Зюсса уже вовсю искажает результаты такой датировки.

Теперь поговорим о климатических моделях: с их помощью на основе данных о климате прошлого и настоящего ученые получают прогнозы изменения климата в будущем, которые как раз всех и интересуют. «Можно с определенностью сказать, что изучение климата прошлого позволяет нам лучше понять, что происходит с климатом в настоящем. Изотопный состав в ледяных кернах Антарктиды и Гренландии является своеобразным термометром прошлого климата, это как раз тот параметр, который достаточно понятным образом связан с климатом и в прошлом и в настоящем», — говорит Константин Грибанов, ведущий научный сотрудник Лаборатории физики климата и окружающей среды Уральского федерального университета.

По его словам, исследования древнего климата показывают, что, во-первых, в прошлом холодные периоды чередовались с теплыми, а во-вторых, сейчас мы находимся на пике последнего теплого периода. «Если бы не было антропогенного воздействия, то климат двинулся бы в сторону очередного похолодания. Однако рост содержания в атмосфере углекислого газа и других парниковых газов уже не позволит реализоваться этой тенденции прошлого», — отмечает ученый.

Группа ученых УрФУ, в которую входит Константин Грибанов, работают над созданием технологии мониторинга мультимасштабного прогнозирования климата и динамики криосистемы на примере Арктики. В результате ученые получат данные для верификации современных глобальных климатических суперкомпьютерных моделей и смогут сделать прогноз климата, таяния арктических льдов и динамики вечной мерзлоты в Арктике на ближайшие десятилетия.

Это один из шести прорывных научных проектов университета, им занимается стратегическая академическая единица (САЕ) — Лаборатория физики климата и окружающей среды УрФУ — вместе с академическими и индустриальными партнерами из России и других стран. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.
Откуда мы знаем, каким был климат прошлого? Настоящая «летопись» климатической истории хранится во льдах Гренландии, Антарктики и других регионов, на участках, где снег тает очень медленно, сублимируется и накапливается сотнями тысяч лет. По следам снегопадов можно реконструировать очень многие ключевые параметры климата: количество осадков, температуру воздуха, состав воздуха, результаты извержения вулканов и так далее. Возраст нескольких десятков полученных учеными кернов — столбов льда, вырезанных из толщи ледового шельфа или ледника — превышает тысячу лет (а так называемые инструментальные наблюдения за климатом, с использованием метеорологических приборов, идут примерно с первой половины XIX века, то есть менее двух столетий). Пара десятков кернов захватывают и период последнего оледенения (закончилось примерно в 10 тысячелетии до нашей эры), единицы — еще и предыдущего. По словам Грибанова, специалисты Института водных и экологических проблем СО РАН отбирали ледяные керны на леднике горы Белуха на Алтае и утверждают, что запись климата, которую можно извлечь из ледника, уходит в прошлое на 1250 лет. Кроме ледовых кернов, ученые исследуют морские и озерные донные отложения, а также отложения в пещерах.

Возраст керна, как и другие параметры, оценивают с помощью стабильных изотопов, прежде всего дейтерия (2H) и кислорода-18 (18O). Кислород как компонент воды существует в трех изотопах, которые встречаются в окружающей среде в таких пропорциях: 99,7 процента приходится на 16О, а на изотопы с атомной массой 17 и 18 — 0,04 и 0,2 процента соответственно. Водород имеет два стабильных изотопа, 1Н (99,984 процента всего водорода) и 2Н, или дейтерий (0,016 процента). Получается, что теоретически возможны девять «видов» стабильной воды, или комбинаций изотопов, однако в палеоклиматических исследованиях важны четыре: легкая вода 1H216O (два атома 1Н, один атом 16O), полутяжелая вода 1Н2Н16O (один атом водорода, один дейтерия и один 16O), 2Н216О (тяжелая вода) и 1Н218О (вода с кислородом-18).

«Изотопы 18О и 2Н (D, или дейтерий), входящие в состав молекулы воды, немного тяжелее, чем самые распространенные 16O и 1Н, поэтому при испарении воды водяной пар становится обеднен тяжелыми изотопами, а оставшаяся неиспарившаяся вода обогащена ими», — говорит Грибанов. В гидрологическом цикле климатической системы Земли (который в школе называют круговоротом воды в природе) с испарением и конденсацией связано много процессов, и изучение изотопного состава позволяет рассмотреть те из них, которые иначе изучению не поддаются.

«Простой и понятный пример — это падающая в облаке капля, которая, долетев до поверхности, станет каплей дождя. Ее изотопный состав непрерывно меняется в процессе этого полета, поскольку она непрерывно обменивается молекулами воды с водяным паром окружающего воздуха», — поясняет ученый.

Так как все эти виды воды испаряются и конденсируются немного по-разному, это позволяет ученым по соотношению изотопов в конденсате, то есть во льду и в снеге кернов, восстанавливать температуру, при которой происходила конденсация. В случае с кислородом вы встретите параметр δ18О — отклонение относительных пропорций 16O и 18О от так называемого водного стандарта, для водорода — δD, соотношение 2Н/1Н относительно того же стандарта. Наблюдения последних нескольких десятков лет в Антарктике и по всему миру позволили понять, как меняются эти показатели при изменении температуры воздуха и температуры выпадения осадков. Связь оказалась достаточно простой: чем холоднее, тем меньше тяжелых изотопов в молекулах воды. В середине XX века Вилли Дансгор (Willi Dansgaard) и Сэмюэл Эпстайн (Samuel Epstain) предложили метод преобразования изотопной кривой в температурную — так мы и получаем информацию о температуре во времена, когда не было не только метеорологических приборов, но и самих метеорологов.

Кроме температуры, пузырьки «консервированного» воздуха в ледовых кернах позволяют нам оценить, в частности, концентрацию углекислого газа и метана в атмосфере давностью в десятки и сотни тысяч лет. Оценки эти неутешительные: во-первых, в последние 800 тысяч лет даже в самые теплые периоды концентрация CO2 была несопоставимо ниже нынешних 400 частей на миллион по объему (это мера концентрации газа). Во-вторых, профиль концентрации углекислого газа, реконструированный по «консервированному» воздуху, очень хорошо согласуется с температурной кривой, построенной по дельте дейтерия — это говорит о том, что мы правильно понимаем взаимосвязь содержания CO2 в атмосфере и климата.

Еще один параллельный «учет» состояния климата прошлого ведут деревья, в годичных кольцах которых накапливается информация об условиях, в которых росло растение, например о той же температуре воздуха и осадках. Помимо физических параметров колец (ширины или плотности древесины), ученым интересны все те же изотопы в составе клеточных стенок — 13C, 2H и 18O. Для кислорода и водорода здесь тоже используется «стандартная средняя океанической воды», а для углерода — стандарт Pee Dee Belemnite, из морских окаменелостей мелового периода с формации Пи-Ди в Южной Каролине.

Вся эта информация используется для отладки климатических моделей — именно их сверка с реальными данными позволяет более точно прогнозировать климат будущего. Точность в данном случае полезна: в начале декабря в журнале Nature вышло исследование, авторы которого считают, что экстремальные сценарии потепления на самом деле несколько более вероятны, чем мы думали. К этому выводу они пришли, уточнив прогнозы моделей с помощью новейших спутниковых данных — чем дольше длится эпоха инструментальных наблюдений в климатологии, тем больше у нас точных данных. Но и от «консервированной погоды» мы вряд ли когда-нибудь откажемся.

Ольга Добровидова

ТАСС / Чердак

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.