Возможны осадки в виде изотопов

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.

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.

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.

Источник: nplus1.ru