Все последние события из жизни вулканологов, сейсмологов
Японцев, Американцев и прочих несчастных, которым повезло родиться, жить
и умереть в зоне сейсмической активности

Стихия

град, Землетрясение, Извержения вулканов, ледоход, Ледяной дождь, Лесные пожары, Ливни, Наводнения, Огненный смерч, Паводок, Смерчи (Торнадо), Тектонический разлом, Ураганы (Тайфуны), Цунами

Вулканы

Симмоэ, Авачинский, Алаид, Асама, Асо, Багана, Баурдарбунга, Безымянный, Бромо, Булусан, Везувий, Вениаминова, Вильяррика, Вольф, вулкан Агунг, Вулкан Таранаки, Вулкан Хурикес. Боливия, Вулкана Богослов, Вулкана Эрта Але, Гамалама, Даллол, Дуконо, Жупановский, Ибу, Иджен, Йеллоустоун, Кальбуко, Камбальный, Кампи Флегрей, Карангетанг, Карымский, Катла, Килауэа, Кливленд, Ключевская Сопка, Колима, Копауэ, Котопахи, Кроноцкая Сопка, Локон, Масая, Мауна-Лоа, Меру, Михара, Момотомбо, Мон-Пеле, Мутновский, Невадо-дель-Руис, Невадо-дель-Уила, Невадос-де-Чильян, Ньирагонго, Онтаке, Павлова, Питон-де-ла-Фурнез, Сабанкая, Тавурвур, Толбачик, Тунгурауа, Турриальба, Тятя, Убинас, Узон, Фогу, Фуэго, Шивелуч, Эйяфьятлайокудль, Эльдфедль, Этна, Ясур

Тайфуны

Тайфун Нору

Наводнения

Наводнение в Приморье

Районы вулканической активности

Вулканы Камчатки, Вулканы Мексики, Курилы

Грязевые вулканы и гейзеры

Локбатан

Природа

Вулканы, Изменение климата, Красота природы

Наука

Археология, Вулканология

Наша планета

Живая природа, Спасение животных

Ураганы

Тайфун Мэттью, Ураган Ирма, ураган Мария, Ураган Харви

Районы сейсмической активности

Землетрясение в Италии, Землетрясение в Китае, Землетрясение в Турции

Солнечная система

Венера, Марс, Меркурий, Планета Земля, Плутон, Сатурн, Юпитер

Космос

экзопланеты

Астрономические события

Метеориты, Суперлуние

Антропогенные факторы

Климатическое оружие

Землетрясения

Прогноз землетрясений

2017-12-15 15:00

Возможны осадки в виде изотопов

изменение климата

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.

Ледяной керн, извлеченный из подледного озера Вида в Антарктике

DRI Science

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.

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.

Ученые добывают ледяной керн из подледного озера Вида, Антарктика

DRI Science

Буровая трубка для извлечения ледяных кернов

DRI Science

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 ?18О — отклонение относительных пропорций 16O и 18О от так называемого водного стандарта, для водорода — ?D, 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

Источник: nplus1.ru