Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Климат предполагает глобальные изменения, происходящие во временных масштабах от десятилетий до тысячелетий и более. Ледниковые периоды, средневековый теплый период и нынешний сорокапятилетний период постоянно возрастающих температур – это изменения климата. Решения о покупке дома на берегу моря или сельскохозяйственных угодий в Канаде – это те решения, в основе которых должно лежать знание климатических тенденций (автор определенно избегает первого и подумывает о втором).

Связывать какой-либо конкретный ураган, снежную бурю или сезонную засуху непосредственно с переменой климата, как правило, неразумно. Долговременные изменения, безусловно, влияют на погодные условия, повышая вероятность экстремальной жары и дождей, но утверждение: «Как же жарко, черт побери, – наверное, из-за глобального потепления» не согласуется с точными определениями погоды и климата. К тому же «глобальное потепление» не означает конец холодных зим и метелей, несмотря на «снежок» сенатора Инхофа в зале сената²⁶. Более того, глобальные климатические

модели предсказывают, что по мере нагревания планеты погода в средних широтах будет становиться все более холодной и штормовой. Недавно мы смогли показать прямую связь между глобальным потеплением и зимней метелью в Европе, в чем нам очень помогли наши друзья-изотопы.

В конце февраля и начале марта 2018 года Европа страдала от сильных снежных бурь, нарушивших жизнь на всем континенте. Они достигли даже Рима, и город был укрыт белым одеялом – второй раз за тридцать пять лет. Геохимик Ханна Бейли из Университета Оулу в Финляндии и ее коллеги²⁷ проанализировали изотопный состав снега и водяного пара в воздухе, сдуваемом с Баренцева моря к северу от Финляндии. В обоих случаях наблюдалось поразительное изменение соотношения ²H к ¹⁸O на 1,6 % за один день (19 февраля), за которым последовал рост до 3,1 % примерно через месяц. Поскольку у ¹⁸O есть два дополнительных нейтрона, а у ²H – только один,²H₂¹⁶O испаряется легче, чем ¹H₂¹⁸O (хотя оба – медленнее, чем¹H₂¹⁶O). Это позволило исследователям заключить, что по меньшей мере 88 % снегопадов в Европе произошло из-за испарившейся воды Баренцева моря, а само ее испарение стало возможным только из-за резкого сокращения морского ледяного покрова – это прямое следствие глобального потепления. Ученым удалось показать, что неуклонное сокращение морского ледяного покрова в регионе (потеря льда на 60 % за предыдущие сорок лет) непосредственно повлекло устойчивое увеличение максимума снегопадов в марте по всей Европе, и они предсказывают, что через пятьдесят лет, когда Баренцево море будет свободным ото льда, сильные зимние снегопады по всей Европе будут нормой – да, сенатор Инхоф, в условиях стабильно теплеющего мира.

Вулканы, солнечные бури и взрывные звезды

Историки-атомы, добытые в ледяных кернах, позволяют нам воссоздать историю климата Земли на протяжении миллиона лет. Они повествуют о естественных колебаниях глобальной температуры до 12 °C, вызванных изменениями орбиты Земли и усиленных переменами в составе атмосферы, а также о многочисленных петлях обратной связи, которыми сопровождаются эти явления. Более того, они раскрывают беспрецедентное и стремительное воздействие обширного геохимического эксперимента, который человеческая деятельность оказывает на атмосферу в наши дни, и позволяют нам проверить наши модели и понять, какое влияние этот эксперимент окажет на будущее планеты.

Снег – не единственное, что выпадает на ледяные шапки. Пыль, поднятая ураганами в пустыне, может оставаться в воздухе неделями и преодолевать тысячи километров, прежде чем «выпадет» из атмосферы (например, пыль из Сахары нередко достигает Флориды). Точно так же соль из океанских брызг во время штормов попадает в воздух и оседает на льду. Вулканы, способные извергнуться, могут выбросить более четверти триллиона тонн газов, камней, пепла и стеклянных осколков в стратосферу, на высоту в 30 километров над землей, где те дрейфуют по всему земному шару и выпадают через несколько лет. Кроме того, вулканы часто выделяют много сернистых газов (в первую очередь SO₂), которые, достигая стратосферы, вступают в реакцию с водой с образованием H₂SO₄ (серной кислоты), а она, в свою очередь, конденсируется в блестящие капли, отражающие солнечный свет обратно в космос, прежде чем он сможет согреть Землю. В конце концов вещество оседает на землю, оставляя на льду слой серосодержащих соединений. (Под воздействием ультрафиолетового излучения, изобильного в нижних слоях стратосферы, над озоновым слоем, серная кислота окисляется и превращается в сульфат – SO₄.) И, наконец, радиоактивные изотопы, возникшие под воздействием космических лучей, такие как ¹⁰Be и ¹⁴C, и даже более редкие изотопы, созданные взорвавшимися звездами, тоже оседают на лед, чтобы когда-нибудь поведать свои истории.

Поучительный пример обращения к ряду «посредников» для уточнения наших исторических реконструкций – работа М. Сигла и его соавторов²⁸. Они использовали оценки летних температур по древесным кольцам, в которых измерялось соотношение ¹⁸O; отслеживали в ледяных кернах с обоих полюсов содержание сульфатов (SO₄), рожденных в извержении вулканов; сравнивали концентрацию изотопа ¹⁰Be во льду и концентрацию ¹⁴C в деревьях – и оказалось, что с 1250 года нашей эры деревья свидетельствовали

о снижении температуры по прошествии одного-двух лет с момента крупных извержений (мы проводили такие измерения непосредственно после извержения Пинатубо в 1991 году). Но для предшествующих 2000 лет между датой извержения (измеряемой по льду) и охлаждением Земли (измеряемому по деревьям) наличествовал семилетний интервал, а кроме того, наблюдалось семилетнее смещение между двумя выбросами ¹⁰Be в 775 и 987 годах нашей эры и аналогичным резким повышением содержания ¹⁴C в летописи годичных колец (заметное по всему миру в 782 и 994 годах нашей эры соответственно). Так мы получили убедительные доказательства того, что в ледяную хронологию закралась ошибка протяженностью в семь лет, причем случилось это примерно 800 лет тому назад.

Новая последовательность датировок допускает в летописях ледяных кернов намного меньшую погрешность, составляющую всего год или два, причем она охватывает время вплоть до 2500 лет назад. За этот период было зафиксировано 283 отдельных вулканических явления, достаточно крупных, чтобы оставить свой след в Гренландии и/или Антарктиде. Примерную широту извержений можно определить по относительной силе сульфатных следов на двух полюсах. И хотя только восемьдесят одно извержение (29 %) считается произошедшим в тропиках, на них приходится почти две трети общего воздействия на климат за последние 2500 лет. Пять из этих извержений – в 426, 44 годах до нашей эры, 536, 1257 и 1458 годах нашей эры – оставили более сильный сульфатный след, чем индонезийское извержение Тамборы в 1815 году, повлекшее год без лета. События 426 года до нашей эры и 1257 года нашей эры произвели почти вдвое больший эффект, чем Тамбора, что предполагает выброс примерно 40 кубических километров вещества.

Событие 1257 года недавно было отождествлено с вулканом Самалас, также находящимся в Индонезии. Свидетельства, написанные на древнеяванском языке на пальмовых листьях, повествуют о разрушительном извержении вулкана, произошедшем еще до того, как завершился XIII век. Радиоуглеродное датирование показало, что древесина, найденная у подножия в наносных породах на острове Ломбок, примерно в 160 км к востоку от Бали, где расположен вулкан, соответствует извержению 1257 года. Кроме того, осколки стекла, образовавшиеся в результате взрывных извержений вулканов, найдены как на острове, так и в ледяных шапках на расстоянии 10 000 км. В них наблюдается одинаковое содержание SiO₂ (от 69 до 70 %) и Na₂O+K₂O (от 8,0 до 8,5 %), что подтверждает их происхождение из одного источника. Очевидно, что это извержение было событием мирового масштаба, и его воздействие на климат было очень значительным²⁹.

Оценки похолодания в Центральной и Северной Европе летом 1258 года составляют 1 °C (вспомним, что случилось с викингами при таком понижении температуры). В хрониках того времени 1258 год описан так:

Что же сказать о произрастаниях земли в тот год, когда погода была так поразительно несвоевременна, что солнечный жар, даже в малости, был не в силах достичь до земли, и плоды того лета едва могли поспеть, если вообще созревали. Столь непроницаемой была завеса туч, закрывших летнее небо, что никто не мог с уверенностью сказать, лето или осень сейчас на дворе. Сено, в том году неизменно мокрое из-за сильных ливней, никак не просыхало, поскольку не могло впитать тепло Солнца: столь плотным был облачный покров. Ришар из Санса, 1267

Прекрасно задокументированный отчет о социальных потрясениях, вызванных погодой, среди которых упоминаются и гиперинфляция цен на еду, и голод, и болезни среди скота и людей по всей Европе и на Ближнем Востоке, и полное лунное затмение (возможное только тогда, когда в земной стратосфере находится толстый слой пыли), нам предоставил Ричард Стотерс³⁰.

Вулканическую летопись ледяных кернов можно расширить гораздо дальше во времени. А. В. Курбатов и его коллеги изучили хроники антарктических льдов, которым 12 000 лет, и выявили, что за период с 10 000 до 500 года до нашей эры произошло семьдесят два крупных извержения. Самое крупное одиночное извержение в этот период (насколько можно судить по концентрации SO₄ во льду) произошло 7881 год назад; разумеется, никаких письменных свидетельств о нем не сохранилось³¹.

Стоит упомянуть и совпадение пиковых значений ¹⁰Be и ¹⁴C в 775 и 987 годах нашей эры, обнаруженных, соответственно, в ледяных кернах и годичных кольцах и использованных в исследовании Сигла³² для точного определения календарного возраста ледяных кернов. Чем было вызвано внезапное увеличение количества космических лучей, из-за которого так быстро и резко ускорилось образование этих радиоактивных изотопов? Дальнейшее изучение ледовой летописи, проведенное Ф. Михальди и его помощниками, добавило к этой истории еще один изотоп, Хлор-36 (³⁶Cl), и предоставило убедительные доказательства для ответа³³. Как и ¹⁴C, ³⁶Cl существует в соотношении примерно 1 к триллиону по сравнению с двумя своими стабильными изотопами, ³⁵Cl и ³⁷Cl (мы говорили о них в главе 5); кроме того, он формируется в атмосфере под влиянием космических лучей.