Мощные ледниковые щиты за последние 150 тысяч лет дважды опреснили Северный Ледовитый океан

Геохимики проанализировали изотопный состав донных отложений Северного Ледовитого океана и обнаружили свидетельства опреснений, совпадающих с холодными стадиями двух последних ледниковых эпох. За последние 150000 лет такие события, во время которых Северный Ледовитый океан был полностью покрыт ледовым щитом и изолирован от Тихого океана и Северной Атлантики, происходили как минимум дважды. Они могут оказаться связаны с резкими климатическими колебаниями и помочь в уточнении существующих моделей ледниковых обстановок. Об этом сообщает статья в журнале Nature.

Во время ледниковых эпох обширные континентальные пространства на протяжении нескольких десятков тысяч лет бывают охвачены мощными покровными оледенениями. Эти ледниковые щиты то разрастаются во время похолоданий — ледниковых стадий, — то сокращаются при относительных потеплениях, но сохраняются в течение всей ледниковой эпохи. Свидетельства их присутствия на суше — типичные формы рельефа (ледниковые долины) и отложения ледникового происхождения (морены, ленточные глины) — позволяют реконструировать историю ледника. Однако ледовые обстановки морских бассейнов ученые реконструируют менее уверенно.

Моделирование показало, что в ледниковые эпохи шельфовый ледник мог покрывать большую часть Северного Ледовитого океана. На глубинах до 1000 метров ниже современного уровня моря на хребте Ломоносова в центральной части океана и на плато Ермак к северу от Шпицбергена найдены следы эрозии, вызванной шельфовым ледником. Тем не менее до сих пор не существует неопровержимых доказательств того, что мощный ледник мог хотя бы на краткое время занимать всю арктическую акваторию.

Древние климатические условия и состояние океанов реконструируют путем анализа осадочных отложений. Но арктические отложения с трудом поддаются интерпретации, так как в результате нескольких четвертичных ледниково-межледниковых циклов Северный Ледовитый океан претерпевал неоднократные интенсивные изменения режимов ледового покрова и циркуляции воды. Недостаток микрофоссилий — ископаемых остатков микроорганизмов — и значительные вариации скорости осаждения осложняют датировку донных материалов. Кроме того, современный ледяной покров затрудняет сбор данных на многих участках.

Ученые из Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера (Бремерхафен, Германия) во главе с Вальтером Гейбертом (Walter Geibert) исследовали образцы арктических донных отложений на уровень содержания изотопа тория ²³⁰Th. Этот изотоп из радиоактивного ряда урана-радия образуется при распаде урана ²³⁴U, содержащегося в морской воде. ²³⁰Th хорошо сорбируется на взвешенных в воде твердых частицах, тонет вместе с ними и попадает в осадки как компонент, называемый избыточным торием (²³⁰Th_ex). Обычно он используется для определения скорости накопления отложений, однако на этот раз исследователи применили метод избыточного тория для изучения изменений уровня солености арктических вод в прошлом. Такие изменения могли бы указать на сдвиги в ледовой обстановке, а значит, и в климатической ситуации.

В осадочном материале содержание избыточного тория пропорционально концентрации ²³⁴U, а она, в свою очередь, определяется концентрацией основного изотопа урана ²³⁸U, присутствующего в воде в составе солей. Следовательно, содержание ²³⁰Th_ex прямо зависит от солености океана. Расчет показал, что при изменении уровня солености на одно промилле скорость образования избыточного тория изменяется приблизительно на 0,83×10^–7 единиц распада на кубический сантиметр за тысячу лет. Это означает, что статистически значимые изменения содержания ²³⁰Th_ex возможны лишь при значительных колебаниях солености.

Исследователи проанализировали данные по избыточному торию из кернов, отобранных на разных участках дна Северного Ледовитого океана, а также Норвежского и Гренландского морей. Для определения количества избыточного тория из общего содержания ²³⁰Th в отложениях они вычли примеси, происходящие от внедрения континентального материала и от распада урана, попавшего в осадок, и ввели поправку на распад самого тория с помощью данных изотопно-кислородной стратиграфии и провели датировку по содержанию изотопа бериллия ¹⁰Be. Выяснилось, что в слоях, образовавшихся приблизительно от 150000 до 131000 лет назад и от 70000 до 62000 лет назад, избыточный торий вообще отсутствует.

Этот изотоп удаляется из морской воды за счет тонущих частиц настолько быстро (за 20–40 лет), что его горизонтальный перенос через океан невелик даже в обедненных частицами арктических водах. Поэтому отсутствие ²³⁰Th_ex в слоях кернов означает, что в соответствующие периоды концентрация урана в воде над участками исследования была близка к нулевой. Следовательно, вся водная толща была лишена растворенных солей до самого дна.

Временной интервал 70000–62000 тысяч лет назад находится в рамках одной из холодных стадий прошедшей ледниковой эпохи, которая в разных регионах обозначается как валдайская (Восточная Европа), вейкселевская (Северная Европа), вюрмская (Альпы) или висконсинская (Северная Америка). Интервал между 150000–131000 лет назад относится к предшествовавшей ей московской (заальской, рисской, иллинойской) ледниковой эпохе. Гейберт и его коллеги предположили, что мощные шельфовые ледники в указанные промежутки времени не только на тысячи лет покрыли полностью Ледовитый океан. Они простирались до Гренландско-Шотландского хребта — подводной возвышенности, отделяющей северные моря от остальной части Атлантического бассейна. Упираясь в порог, ледник препятствовал водообмену между Арктикой и Атлантическим океаном, в то время как в арктический бассейн непрерывно поступала пресная вода с континентального ледника. Отток воды из Арктики происходил через узкие проливы между Гренландско-Исландским, Исландско-Фарерским порогами и порогом Уайвила Томсона, составляющими Гренландско-Шотландский хребет, а поступление соленой воды из Атлантики прекратилось. В то же время низкий по отношению к современному уровень моря блокировал водообмен с Тихим океаном через Берингов пролив, и в результате арктический бассейн оказался заполнен пресной водой.

Гипотеза помогла объяснить расхождения в оценках уровня океана во время оледенений. Уровень, определенный по данным изучения микроскопических окаменелостей, был ниже, чем требовали результаты, полученные по кораллам. Но существование мощного ледника, вытесняющего большие объемы воды, позволило поднять расчетный уровень на необходимые несколько метров.

Ученые оценили объем пресной воды, необходимой для заполнения бассейнов Ледовитого океана и североатлантических морей: около девяти миллионов кубических километров. При таянии ледового щита соленая атлантическая вода поступила в Арктику и, опускаясь в придонные области, вытеснила менее плотную пресную воду в Атлантический океан. Это событие должно было вызвать резкие климатические изменения и отразиться на состоянии биосистем. Например, в Гренландии средняя температура могла повыситься на 8–10 градусов в течение нескольких лет, а обратное похолодание до исходных температур заняло бы сотни или даже тысячи лет.

Косвенно модель пресноводных эпизодов в истории Арктики подтверждается отсутствием микрофоссилий в слоях, не содержащих избыточного тория, что говорит о низкой биологической продуктивности среды. К сожалению, пресноводная фауна в рассматриваемых отложениях не обнаружена, поэтому прямые доказательства вторжения пресной воды в глубокие арктические бассейны еще предстоит найти. В дальнейшем, отмечают исследователи, потребуется численное моделирование водной циркуляции Северного Ледовитого океана и поведения ледяного покрова для уточнения оценки пресноводного стока в арктический бассейн с материка. Дальнейший геохимический анализ и изучение окаменелостей покажут, насколько верно гипотеза об опреснении Северного Ледовитого океана описывает ледниковые процессы в прошлом.

Ранее ученые установили, насколько быстрым было таяние Евразийского ледового щита, и выяснили, как стратификация океана спровоцировала удлинение ледниковых циклов.

Винера Андреева