Климатическая изменчивость на Восточно-Антарктическом плато за последние 2200 лет тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Верес Арина Николаевна

• Верес Арина Николаевна
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Верес Арина Николаевна

Введение

Глава 1. Климат Южного полушария за последние 2000 лет

1.1. Роль снежно-фирновых и ледяных кернов в изучении палеоклимата

1.2. Формирование климатического сигнала в снежно-фирновых и ледяных кернах

1.3. Климатическая история Южного полушария и Антарктиды в позднем голоцене (за 2 последних тысячелетия)

1.3.1. Индексы атмосферной циркуляции Южного полушария и их связь с климатом Антарктиды

1.3.2. Факторы климатической изменчивости в позднем голоцене

1.3.3. Климатическая изменчивость Южного полушария и Антарктиды за последние 2 тысячелетия

Выводы к главе

Глава 2. Методы исследования и экспериментальные данные

2.1. Бурение мелких скважин в Центральной Антарктиде и полевая обработка снежно-фирновых кернов

2.2. Лабораторные измерения изотопного состава снежно-фирновых отложений

2.3. Датирование снежно-фирновой толщи

2.4. Соотношение сигнала и шума в климатических рядах, полученных по кернам

2.5. Диффузионное сглаживание сигнала

2.6. Переходная функция «изотопный состав - температура воздуха»

Выводы к главе

Глава 3. Реконструкция климата центральной части Восточной Антарктиды за последние 2000 лет

3.1. Спектральные свойства временных рядов изотопного состава

3.2. Температура и скорость снегонакопления в районе станции Восток за последние 2200 лет

3.3. Особенности климатической изменчивости в позднем голоцене в Антарктиде и Южном

полушарии

Выводы к главе

Заключение

Благодарности

Список сокращений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Климатическая изменчивость на Восточно-Антарктическом плато за последние 2200 лет»

Введение

Современные глобальные изменения климата являются одной из фундаментальных угроз человечеству, поэтому наука о климате — одна из наиболее бурно развивающихся отраслей знаний, которой (по данным сервиса Scholar Google; URL: https://scholar.google.com/) ежегодно посвящается порядка 16 тысяч новых публикаций. Изучение причин и механизмов современных климатических изменений выполняется разными методами, в основе которых — мониторинг параметров окружающей среды и моделирование. Важным направлением климатических исследований также является палеоклиматология — наука о климатических изменениях и их причинах до начала инструментальных измерений. С точки зрения современных климатических изменений представляют интерес те эпохи, в которые природные климатические факторы были близки современным, что дает возможность разделить влияние естественных и антропогенных факторов.

Поэтому особенное внимание палеоклиматологов обращает на себя поздний голоцен (его название, принятое у геологов, - «Мегхалайский ярус»), начало которого датируется примерно 2200 годом до н. э. и совпадает с так называемой «катастрофой бронзового века». Во время позднего голоцена граничные климатические условия (соотношение суши и моря, тектоническая активность, орбитальные параметры планеты и т. д.) были практически неизменными, и климат определялся теми же факторами, что и в индустриальный период — вулканической и солнечной активностью (TSI, total solar irradiance), а также концентрацией парниковых газов (ПГ) (Cartapanis et al., 2022).

Еще б0льший интерес вызывает вторая половина позднего голоцена — последние два тысячелетия — для которого имеется наиболее полный и подробный набор палеоклиматических данных, включая исторические архивы. Международные усилия по изучению климата последних двух тысячелетий координируются международными программами CLIVASH2k (Climate variability in Antarctica and Southern Hemisphere in the past 2000 years; URL: https://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network/projects/clivash/intro), IPICS2k (International Partnerships in Ice Core Sciences; URL: https://pastglobalchanges.org/science/end-aff/ipics/intro) и Iso2k (Isotopic compositions of environmental waters database; URL: https://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network/projects/iso2k/intro), являющиеся частью более крупного проекта PAGES2k (Past Global Changes in the past 2000 years; URL: https://pastglobalchanges.org/science/wg/2k-network/intro).

Анализ современной проработанности темы исследования показывает, что покрытие поверхности Земли палеогеографическими данными весьма неравномерно (Degroot et al., 2022), и Антарктида относительно плохо охвачена такими исследованиями, что связано с очевидными

логистическими трудностями при бурении ледяных кернов. Лишь несколько кернов охватывают весь период последних двух тысячелетий, и они в основном кластеризуются в районе Земли Королевы Мод (DML, Dronning Maud Land) и в Западной Антарктиде, тогда как огромное плато Восточной Антарктиды остается гигантским белым пятном (см. обзор в Thomas et al., 2017).

Сказанное выше обосновывает актуальность темы исследования, направленного на восполнение катастрофического недостатка палеогеографических данных в Антарктиде. С этой целью был реализован проект Vos2k (Vostok in the past 2000 years), посвященный изучению климата последних двух тысячелетий в районе станции Восток по данным фирновых кернов. Vos2k - российский вклад в международные программы под эгидой PAGES.

В качестве региона исследования были выбраны окрестности станции Восток -единственной российской внутриконтинентальной станции в Центральной Антарктиде, расположенной в самом сердце Восточно-Антарктического плато (78,47° ю.ш. и 106,84° в.д.) на высоте 3488 м н.у.м. Высокогорный район, в котором расположена станция, является «полюсом холода» планеты. Именно здесь 21 июля 1983 г. была зафиксирована самая низкая температура -89,2 °С, а среднегодовая температура воздуха составляет около -55,3 °С. Это обусловливает очень низкую влажность воздуха и малое количество атмосферных осадков (порядка 23-25 мм в год). Такие условия способствуют тому, что в данном регионе отсутствует таяние, и данная область относится к холодной сухой снежной (рекристаллизационной) зоне льдообразования (Войтковский, 1999). Именно это обстоятельство делает снег и фирн Антарктиды ценным источником палеогеографической информации (см. Главу 1). Таким образом, объектом исследования являются снежно-фирновые керны, а предметом исследования — климатическая изменчивость в районе станции Восток за последние 2 тысячелетия.

Целью данной работы является детальная надежная реконструкция климата центральной Антарктиды в районе станции Восток, а также температуры поверхности океана в источнике влаги по данным комплексных исследований снежно-фирновых кернов.

Чтобы достичь этой цели, понадобилось решить несколько задач :

1. Выполнить бурение нескольких скважин глубиной до 70 м в окрестностях станции Восток.

2. Выполнить полевые исследования полученных снежно-фирновых кернов в гляциологической лаборатории бурового комплекса 5Г на станции Восток - измерение плотности, электропроводности (ECM, electrical conductivity measurements), отбор проб на изотопный и химический анализы.

3. Выполнить измерения изотопного состава образцов керна в Лаборатории изменений климата и окружающей среды Федерального Государственного Бюджетного Учреждения «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» (ЛИКОС ФГБУ ААНИИ)

в г. Санкт-Петербург (Россия) и измерения химического состава проб в Лимнологическом институте Сибирского Отделения Российской Академии Наук (ЛИН СО РАН) в г. Иркутск (Россия).

4. Идентифицировать вулканические извержения, следы которых предполагается обнаружить в изучаемых кернах.

5. Выполнить датирование снежно-фирновой толщи (т. е. построить функцию «глубина-возраст») с учетом вулканических маркеров абсолютного возраста, а также оценить погрешность датировки.

6. Оценить отношение сигнала к шуму в рядах изотопного состава и разработать оптимальную методику выделения климатического сигнала.

7. Оценить влияние диффузионного сглаживания на климатический сигнал изотопного состава.

8. Подобрать оптимальную методику построения изотопно-температурной калибровочной функции.

9. Выполнить реконструкцию климатических условий (температуры воздуха и скорости снегонакопления) на станции Восток за последние 2200 лет, а также реконструкцию температуры в источнике влаги.

10. Выполнить интерпретацию полученных данных и сопоставить результаты исследования с другими опубликованными климатическими рядами.

Научная новизна исследования заключается в том, что впервые в отечественной практике для надежной реконструкции палеоклимата за 2 тысячи лет используются данные по нескольким параллельным кернам. Также впервые составлена летопись вулканических извержений за два тысячелетия, разработана оптимальная методика изотопно-температурных реконструкций, и впервые для реконструкции температуры использован совместный анализ двух изотопных параметров.

Практическая значимость работы заключается в тщательной проработке всех методических аспектов, которые были опубликованы отдельной монографией и могут быть использованы в будущих исследованиях. Теоретическая значимость заключается в доступности результатов работы климатологам, которые могут использовать их для настройки общих и региональных моделей атмосферной циркуляции.

Фактический материал исследования. В основу работы вошли материалы, полученные в ходе сезонных работ 62-й (2016/2017 г.) - 64-й (2018/2019 г.) Российских антарктических экспедиций (РАЭ) на внутриконтинентальной станции Восток (Центральная Антарктида).

Методы исследования. Основным методом работы является изотопный анализ (определение относительных концентраций стабильных изотопов воды) проб снежно-фирновых

кернов, использованы результаты химического анализа фирна. В работа также применялись различные статистические методы.

Личный вклад автора. Автор принимала участие в полевых работах на станции Восток в сезон 64-й РАЭ (2018/2019 г.). Автором выполнялись: часть буровых работ, лабораторные исследования кернов на станции Восток, изотопные измерения в ЛИКОС, обработка данных и их интерпретация, а также подготовка публикаций.

Достоверность результатов диссертационного исследования и их апробация. Результаты работы были использованы для подготовки годовых отчетов по теме 5.2 НИТР (Научно-исследовательские и технологические работы) Росгидромета «Комплексные океанологические, климатические, гляциологические и геофизические исследования Антарктики и Южного океана», а также отчетов по грантам Российского научного фонда (РНФ). Методика полевых работ, разработанная в ходе выполнения данного проекта, используется в практике Российской антарктической экспедиции. По материалам выполненных исследований сделано несколько докладов на российских и международных конференциях, а также опубликовано 8 статей и 1 методическое пособие:

1. Верес А. Н., Екайкин А. А., Владимирова Д. О., Козачек А. В., Липенков В. Я., Скакун А.А. Климатическая изменчивость в эпоху МИС-11 (370-440 тыс. лет назад) по данным изотопного состава (8D, 518O, 5170) ледяного керна ст. Восток // Лёд и снег. 2018. Т. 58. № 2. С. 149-158.

2. Верес А. Н., Екайкин А. А., Липенков В. Я., Туркеев А. В., Ходжер Т. В. Первые данные о климатической изменчивости в районе ст. Восток (Центральная Антарктида) за последние 2000 лет по результатам изучения снежно-фирнового керна // Проблемы Арктики и Антарктики. 2020. Т. 66. № 4 С. 482-500.

3. Верес А. Н., Екайкин А. А., Туркеев А. В., Липенков В. Я. Усовершенствованная методика восстановления температуры воздуха по данным изотопных и стратиграфических исследований снежно-фирновых кернов из центральной Антарктиды. Методическое пособие. Санкт-Петербург: ААНИИ, 2024. 72 с.

4. Екайкин А. А., Верес А. Н. Изменение температуры в Центральной Антарктиде после крупных вулканических извержений во втором тысячелетии нашей эры // Проблемы Арктики и Антарктики. 2023. Т. 69. № 3. С. 374-385.

5. Екайкин А. А., Владимирова Д. О., Тебенькова Н. А., Бровков Е. В., Верес А. Н., Ковязин А. В., Козачек А. В., Линдрен М., Шибаев Ю. А., Преображенская А. В., Липенков В. Я. Пространственная изменчивость изотопного состава и скорости накопления снега на снегомерном полигоне станции Восток (центральная Антарктида) // Проблемы Арктики и Антарктики. 2019. Т. 65. № 1. С. 46-62.

6. Екайкин А. А., Тебенькова Н. А., Липенков В. Я., Чихачев К. Б., Верес А. Н., Рихтер А. Недооценка скорости снегонакопления в центральной части Антарктиды (станция Восток) по данным реечных наблюдений // Метеорология и гидрология. 2020. Т. 2. С. 114-125.

7. Екайкин А. А., Чихачев К. Б., Верес А. Н., Липенков В. Я., Тебенькова Н. А., Туркеев А. В. Профиль плотности снежно-фирновой толщи в районе станции Восток, Центральная Антарктида // Лед и снег. 2022. Т. 62. № 4. С. 504-511.

8. Ekaykin A. A., Veres A. N., Wang Y. Recent increase in the surface mass balance in central East Antarctica is unprecedented for the last 2000 years // Nature Communications Earth & Environment. 2024. Т. 5. № 1. С. 1-8.

9. Veres A. N., Ekaykin A. A., Golobokova L. P., Khodzher T. V., Khuriganowa O. I., Turkeev A. V. A record of volcanic eruptions over the past 2,200 years from Vostok firn cores, central East Antarctica // Frontiers in Earth Science. 2023. Т. 11. С. 1075739.

Объём и структура работы. Диссертация содержит 158 страниц, 44 рисунка, 7 таблиц и 3 приложения. Основной текст состоит из Введения, трёх глав и Заключения. В Главе 1 изложены основы изотопно-температурного метода, а также представлен обзор литературы по климату Земли (и, в частности, Антарктиды) за последние 2200 лет. Глава 2 посвящена методике, в ней детально излагается методика бурения фирна, методика полевой обработки керна, лабораторных измерений изотопного и химического составов, датирования снежно-фирновой толщи, методика построения изотопно-температурной калибровочной функции. В Главе 3 анализируется климатическая изменчивость в районе ст. Восток за два последних тысячелетия, и результаты исследования сопоставляются с уже опубликованными аналогичными работами. Заключение подводит итог данной работе.

Финансовая поддержка. Исследования, положенные в основу данной работы, были выполнены в рамках грантов РНФ № 21-17-00246 «Климатическая изменчивость на Восточно-Антарктическом плато за последние 2000 лет» и РНФ № 25-17-00172 «История климата и уровень моря во время четырех средне- и позднеплейстоценовых межледниковий по данным ледяных антарктических кернов».

Основные научные результаты:

1. Оптимизирован, отработан и детально рассмотрен комплекс методов (бурение фирна, его полевая обработка, измерение изотопного и химического состава, датирование снежно-фирновой толщи), с помощью которых выполняются палеоклиматические реконструкции по данным исследований фирновых кернов в условиях Центральной Антарктиды (см. Верес и др., 2024, C. 2; Екайкин и др., 2020, С. 117; Екайкин и др., 2022, С. 507; Veres et al., 2023, С. 1075739 (02); личный вклад составляет не менее 78 %, 18 %, 23 % и 76 %, соответственно).

2. Выяснено, что наилучшим образом для реконструкции палеоклиматических условий в районе станции Восток подходит метод, учитывающий не только изотопный состав образцов кернов, но и параметр эксцесс дейтерия, отвечающий за условия в источнике влаги (см. Верес и др., 2018, С. 154; Екайкин и др., 2019, С. 57; Екайкин и др., 2023, С. 377; Ekaykin й а1., 2024, С. 5; личный вклад составляет не менее 71 %, 22 %, 42 % и 43 %, соответственно).

3. Реконструирована скорость снегонакопления, которая показывает тренд на снижение до 19 века, после чего начался её резкий рост. За последние 200 лет значение скорости снегонакопления является беспрецедентным (см. Верес и др., 2020, С. 496; Екаукт а1., 2024, С. 2; личный вклад составляет не менее 75 % и 43 %, соответственно).

Положения, выносимые на защиту:

1. Для надежной реконструкции многолетней климатической изменчивости в условиях низкой скорости снегонакопления необходимо сглаживание по 11 годам и построение сводного ряда как минимум по трем кернам.

2. Для реконструкции температуры позднего голоцена по данным изотопного состава фирновых кернов оптимальной методикой является использование системы линейных уравнений, связывающих изотопные характеристики (5D и dxs) с температурой конденсации в месте выпадения осадков и температурой поверхности моря в источнике влаги.

3. Климатическая изменчивость за последние 2200 лет в целом совпадает с глобальной климатической кривой: плавное похолодание наблюдалось до начала 19 века и сменилось относительно резким потеплением за последние 200 лет. Современная температура воздуха не превышает максимальных значений, наблюдавшихся в первых веках нашей эры, тогда как скорость снегонакопления вышла за рамки естественной изменчивости, характерной для доиндустриального периода.

Глава 1. Климат Южного полушария за последние 2000 лет 1.1. Роль снежно-фирновых и ледяных кернов в изучении палеоклимата

Бурение льда полярных и горных ледников с целью изучения палеоклимата является относительно молодым направлением палеогеографии, развивающимся начиная с 1960-х годов. К тому времени уже было успешно опробовано измерение концентрации тяжелого изотопа кислорода (кислорода 18, открытого в 1929 г. американскими физико-химиками Уильямом Джиоком и Херриком Джонстоном) в морских донных осадках для реконструкции климата позднего плейстоцена (Emiliani, 1957). Было показано, что в холодные эпохи концентрация 518О в морских карбонатах была выше, чем в тёплые, что связано с двумя факторами: 1) обратной зависимостью коэффициента изотопного фракционирования (разделения изотопов) при образовании карбонатов от температуры и 2) повышенной концентрацией тяжелых изотопов в морской воде в холодные эпохи.

В начале 1950-х годов датский учёный Вилли Дансгор (Willi Dansgaard), измеряя образцы осадков в Копенгагене, обнаружил прямую зависимость концентрации кислорода 18 от температуры воздуха (Dansgaard, 1953). В дальнейшем, собрав данные об изотопном составе атмосферных осадков для разных климатических зон (от тропиков до Гренландии и Южного полюса), он подтвердил, что аналогичная зависимость существует и для всего земного шара: при понижении средней годовой температуры воздуха на 1 °С концентрация 518О в осадках уменьшается примерно на 0,07 % (Dansgaard, 1964). Дансгор предположил, что эту зависимость можно использовать для реконструкции температуры в прошлом, если только удастся обнаружить ископаемые древние атмосферные осадки. Очевидно, что такими хранилищами ископаемых погребенных осадков являются ледники. Для проверки этой идеи Дансгор использовал айсберги, от которых он откалывал куски льда, подплывая к ним на лодке. Оказалось, что чем древнее образец льда (т. е., чем из более удаленной от берега и высокой части Гренландии этот лёд пришел), тем ниже была концентрация тяжелого кислорода — это укладывалось в гипотезу о том, что изотопный состав льда несет температурный сигнал, а заодно подтверждало, что этот сигнал сохраняется как минимум на протяжении нескольких сотен или тысяч лет (Dansgaard et al., 1960). В 1967 г. Дансгору удалось получить доступ к образцам первой в мире глубокой ледяной скважины, пробуренной американцами за несколько лет до этого в пункте Кэмп-Сенчури в северо-западной Гренландии. Измерение изотопного состава этих проб показало резкое уменьшение концентрации тяжелого кислорода на глубине около 1 км, что отражало переход от голоценового льда ко льду холодной позднеплейстоценовой эпохи

(Dansgaard et al., 1969). История зарождения и развития изотопного метода красочно описана в автобиографической книге Вилли Дансгора «Замерзшая летопись» (Dansgaard, 2005).

Успех Дансгора в его опытах с гренландским льдом спровоцировал резкий рост интереса к этому новому методу. В 1966-1968 гг. выполнено глубокое бурение льда на станции Бэрд (Западная Антарктида), в 1968 г. начато бурение на Куполе С (Восточная Антарктида), в 1970 году началось бурение льда в районе станции Восток под руководством сотрудника ФГБУ ААНИИ Нарцисса Иринарховича Баркова (ОГПС, 2015), в 1971 г. - бурение в центральной Гренландии и т. д. История бурения ледников детально изложена в монографиях П. Г. Талалая (Talalay, 2016, 2020). Помимо ледяных щитов Гренландии и Антарктиды, бурение осуществлялось на ледяных куполах Арктики и горных ледниках (Михаленко, 2004).

Важность ледяных кернов, как источника палеоклиматической информации, заключается в том, что для полярных районов они являются единственным доступным палеогеографическим архивом. Кроме того, ледяные керны — единственный на сегодняшний день прямой источник данных о газовом составе атмосферы в далеком прошлом (Raynaud, Barnola, 1985). Это связано с тем, что при рекристаллизационном типе льдообразования, характерном для центральных областей Антарктиды и Гренландии, происходит захват воздушных включений, фактически представляющих собой образцы древней атмосферы.

Основным методом исследования ледяных кернов является изучение его изотопного состава, т. е. концентрации тяжелых стабильных изотопов кислорода и дейтерия (соответственно, 518O и 5D; здесь 5 — относительная разность мольной концентрации изотопа в образце и соответствующей концентрации в стандарте VSMOW2 (Vienna Standard Mean Ocean Water), выраженная в промилле). Принципы изотопно-температурного метода будут кратко изложены в следующем разделе, но целом можно сказать, что в основе метода лежит простая модель рэлеевской дистилляции, впервые описанная В. Дансгором (Dansgaard, 1964).

Помимо изотопного состава, в ледяных кернах измеряется концентрация растворимых химических примесей (Legrand, Mayewski, 1997), которая дает огромный набор информации об удаленности источника влаги, о площади морского льда, о биологической активности в океане, о частоте и интенсивности вулканических извержений и т.д.

Концентрация минеральной пыли говорит о путях поступления воздушных масс, интенсивности атмосферной циркуляции, аридности климата и площади суши (Vallelonga, Svensson, 2014). Кроме того, полярные ледники, в силу исключительно чистой атмосферы и сверхнизкой концентрации минеральных примесей, являются идеальным местом для поиска космической пыли (Winckler, Fischer, 2006).

Как отмечено выше, полярные ледники являются хранилищами образцов древней атмосферы. Представляют интерес несколько параметров. Во-первых, общее газосодержание во

льду является показателем высоты поверхности ледника в прошлом (Raynaud, Lebel, 1979). Во-вторых, соотношение между концентрацией двух основных газов — кислорода и азота — может быть использовано для датирования льда (Lipenkov et al., 2011). В-третьих, изотопный состав атмосферного кислорода служит показателем биологических процессов (Luz, Barkan, 2011). В-четвертых, воздушные включения могут быть использованы для измерения концентрации ПГ (Luthi et al., 2008). Наконец, изотопный состав инертных газов (40Ar, 15N) может быть использован в качестве независимого источника данных о температуре в прошлом (Landais, 2012).

Измерение радиоактивных изотопов во льду и в воздушных включениях (10Be, 14C, 36Cl, 39Ar, 81Kr, 85Kr, 210Pb и другие) используется для датирования льда (Martin et al., 2022).

Ледяные керны используются также в качестве природного архива биологической информации, поскольку глубоко замороженные ледяные отложения являются надежными хранилищами биологического материала (Priscu et al., 2007).

Помимо изучения собственно кернов, выполняются также геофизические измерения в буровых скважинах. Так, точное измерение температуры льда может быть использовано для получения независимых данных о колебаниях температуры поверхности ледника в прошлом (Salamatin et al., 1998).

Датирование ледяной толщи (т. е. построение переходной функции между глубиной и возрастом) основано на термодинамической модели движения льда. Корректировка хроновозрастной шкалы осуществляется с помощью радиоактивных датировок, маркеров абсолютного возраста (слоев, содержащих продукты вулканических извержений; пиков 10Be, связанных с инверсиями магнитного поля), данных об отношении O2/N2 в воздушных включениях, переноса датировки от более хорошо датированного керна с помощью пиков в концентрации метана и т. д. (Bouchet et al., 2023).

Данные ледяных кернов могут быть полезны не только в палеогеографии, но и в других науках, таких как история и археология. Очень ярким примером является изучение концентрации меди в кернах ледников Анд, которое помогло пролить свет на историю развития доколумбовых цивилизаций Южной Америки (Eichler et al., 2017).

В этой работе мы используем результаты измерения изотопного состава (ô18O и 5D) неглубоких (до 70 м) фирновых кернов, пробуренных в окрестностях станции Восток, и охватывающих период в 2200 лет. Мы также используем данные об электропроводности и химическом составе фирна (а именно, концентрацию сульфатов неморского происхождения) для выявления слоёв, содержащих продукты известных вулканических извержений и использованных для датирования снежно-фирновой толщи.

1.2. Формирование климатического сигнала в снежно-фирновых и ледяных кернах

Ценность фирново-ледяных отложений полярных ледников в качестве природного архива палеоклиматической информации заключается в том, что в высоких широтах осадки круглогодично выпадают в твердом виде и накапливаются слой за слоем на поверхности ледникового покрова. Со временем снежные слои постепенно уплотняются под действием давления вышележащей толщи, превращаясь сначала в фирн, а потом и в лёд. Этот процесс протекает без участия жидкой воды — а значит первоначальные свойства снега (в которых и «записана» палеоклиматическая информация) сохраняются практически в неизменном виде. Однако, построение переходной функции между изотопным составом ледяных отложений и средней годовой приземной температурой воздуха — весьма нетривиальная задача. Основная сложность заключается в следующем: 1) изотопный состав атмосферных осадков формируется не в момент их выпадения в точке конденсации, а на протяжении всей истории атмосферной влаги от испарения с поверхности Мирового океана до Центральной Антарктиды; 2) между моментом выпадения осадков и моментом извлечения керна на поверхность изотопный состав снега-фирна-льда претерпевает целый ряд сложных процессов, в результате которых первоначальный климатический сигнал, заключенный в изотопном составе осадков, может существенно модулироваться и искажаться; 3) изотопный состав ледяных отложений, помимо климатического сигнала, содержит также существенную долю шума различного генезиса, что существенно затрудняет температурную интерпретацию изотопного состава ледяных кернов. Изучению процессов формирования климатического сигнала в ледяных кернах ежегодно посвящаются десятки (если не сотни) статей российских и зарубежных специалистов. Наиболее полный и свежий (на сегодняшний день) обзор этих процессов можно найти в докторской диссертации А.А. Екайкина (Екайкин, 2024).

Начнем с определений. Под изотопным составом 5 образцов снега, фирна или льда мы подразумеваем мольную концентрацию й тяжелых изотопологов воды (Н2170, Н2180 и 1Н2Н160) по сравнению с легкой молекулой Н2160, выраженную в промилле относительно изотопного стандарта средней океанической воды VSM0W2 (1.1):

где 5 - это 5170, 5180 или 5Б.

Формирование изотопного состава образца начинается в момент испарения воды в районе источника влаги — для района станции Восток таким источником являются средние широты

(1.1)

(30°-50° ю.ш.) Индийского океана (Sodemann, Stohl, 2009). Во время испарения — как и во время любых фазовых переходов — имеет место «изотопное фракционирование», связанное с тем, что давление насыщения водяных паров для тяжелых молекул воды чуть меньше, чем для легких молекул. Соответственно, водяной пар в равновесии с водой содержит чуть меньше (примерно на 8 % для дейтерия и на 1 % для кислорода 18) тяжелых молекул по сравнению с водой. Особенностью испарения является также то, что это неравновесный процесс, т. к. влажность воздуха над океаном практически всегда меньше 100 %. По этой причине к равновесному фракционированию добавляется также т. н. «кинетическое» (т. е. имеющее отношение к скорости движения молекул) фракционирование, связанное с небольшим различием коэффициентов диффузии молекул воды в воздухе. За счёт этих двух процессов изотопный состав водяного пара чуть легче (т. е. в нем меньше тяжелых молекул), чем он был бы лишь за счет одного только равновесного фракционирования. Основными факторами, определяющими изотопный состав пара, являются температура поверхности воды и относительная влажность воздуха. Теория формирования изотопного состава пара в источнике влаги впервые была изложена в работе Крейга и Гордона (Craig, Gordon, 1965).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Верес Арина Николаевна, 2026 год

Список литературы:

Os14 - Osipov et al., 2014; Ca05 - Castellano et al., 2005; Fell - Ferris et al., 2011; Ji12 - Jiang et al., 2012; Ku06 - Kurbatov et al., 2006; Ka00 - Karlof et al., 2000; CD21 - Cole-Dai et al., 2021; Du19 - Dull et al., 2019; Ha19 - Hartman et al., 2019; Na19 - Narcisi et al., 2019; Sm20 - Smith et al., 2020.

Примечания:

* В предыдущих работах обозначается как Серуа (1696) ** В предыдущих работах обозначается как Куваэ (1459) *** В предыдущих работах обозначается как Паго (682)

Приложение Б

Решение системы уравнений с известными коэффициентами, которые были получены через простую изотопную модель (Бакшайп е! а1., 2004): а = 10,2 %0/°С Ь = -3,2 %о/°С с = -1,55 %о/°С

а = 1,6 %0/°С

Первоначальный вид системы:

(Д6D = а^ДТс+Ь^ ДББТ jдdxs = с^ ДТс + й^ ДББТ

где Тс - температура конденсации в месте выпадения осадков (Центральная Антарктида), ББТ-температура поверхности океана в источнике влаги (тропики в Индийском океане).

Если в систему уравнений подставить известные коэффициенты, то она приобретает следующий вид:

( Д5D = 10,2 • ДТС - 3,2 • ДББТ (дdxs = -1,55 • ДТС + 1,6 • ДББТ

Из первого уравнения выражаем ДТС и подставляем во второе уравнение. Получаем:

ДТС = 0,098 • Д5D + 0,314 • ДББТ Дdxs = -0,152 • Д8D + 1,113 • ДББТ

Из второго уравнения выражаем ДББТ и подставляем в первое уравнение. Получаем:

/'Дdxs + 0,152 • Д6D\

ДТС = 0,098 • Д5D + 0,314 • (-)

с V 1,113 )

Дdxs + 0,152 • Д5D

Д^Т =-ТТТ^-

1,113

Система уравнений в окончательном виде:

( ДТС = 0,141 • Д8D + 0,282 • Дdxs (Д55Г = 0,137 • Д5D + 0,898 • Дdxs

Решение системы уравнений с неизвестными коэффициентами. Первоначальный вид системы:

(А8D = а^АТс+Ь^ АББТ jдdxs = с^ АТс + й^ АББТ

Из первого уравнения выражаем АТС и подставляем во второе уравнение. Получаем:

А8D — b• АББТ

АТС =-

с а

/А8D — Ъ • АБ5Т\ Аdxs = с • (---) + й • АББТ

А8D-Ъ• АББТ

АТС =

с а

с с • Ъ

Аdxs = — • А8D---АББТ + й • АББТ

а а

А8D-b• АББТ

АТС =-

с а

с ( с • Ъ\

Аdxs = -•А8D + [d--) • АББТ

а

( с • Ь\

Из второго уравнения выражаем АББТ и подставляем в первое уравнение. Получаем:

Г /Аdxs--•А8D А8D-b• \ -2-г-

АТГ =-*-—

с а

с

Аdxs---А8D

АББТ =-^-г-

, с • Ь а

а

Второе уравнение из системы АББТ можно преобразоваться следующим образом:

1 а

АББТ =-г • Аdxs--^-г • А8D

, с • Ь , с • Ь

а----а--

а а

а

й • а — с • Ъ й • а — с • Ь

АББТ =-,-г- • Аdxs — ^---г- • А8D

а а

с

ДББТ = --- • Дdxs - —-- • Д5D

а • а - с • Ь а • а - с • Ь

а с

ДББТ = --- • Дdxs - --- • Д5D

а • а - с • Ь а • а - с • Ь

Уравнение ДББТ в окончательном виде:

1

ДББТ = --- • (а • Дdxs - с • Д6D)

а^ а - с • Ь

Теперь подставляем уравнение ДББТ в уравнение ДТС:

1 Ъ 1

ДТС=-• Д5D------ • (а • Дdxs - с • Д8D)

а а а • а - с • Ь

Это уравнение можно преобразовать:

1 Ъ (а • Дdxs - с • Д5D)

ДTC=-•Д8D----------

а а а • а - с • Ь

1 Ъ а • Дdxs Ъ с • Д5D ДТС=-• Д5D----;-г + -

а а й • а - с • Ъ а й • а - с • Ъ

1 Ъ Ъ • с

ДТС=-• Д5D - --- • Дdxs + ——-— • Д5D

а а • а - с • Ь а^ (а • а - с • Ь)

¡1 Ь • с \ Ъ

ДТС = ^ + —---)• Д8D---- • Дdxs

\а а^ (а • а - с • о)) а^ а - с • Ь

((й • а - с • Ъ) + с • Ъ\ Ъ

ДТС = ( -----—— ) • Д6D - --- • Дdxs

\ а^ (а • а - с • Ь) I а • а - с • Ь

а^ й Ъ

ДТС = —7—--- • Д5D----- • Дdxs

а^ (а • а - с • Ь) а^ а - с • Ь

й Ъ ДТС =-:-г • Д5D--:-г • Дdxs

а^ й - С • Ъ а^ й - С • Ъ

Уравнение ДТС в окончательном виде:

1

ДТС = --- •(d•Д8D-Ъ• Дdxs)

а • а - с • Ь

Система уравнения с неизвестными коэффициентами принимает следующий вид:

АТС =--- •(d•А8D — b• Аdxs)

с й • а — с • Ь

АББТ = --- • (а • Аdxs — с • А8D)

а • а — с • Ь

Приложение В

Таблица В.1 — Значимые периоды колебаний (уровень достоверности 95 % и 99 %) во временных рядах изотопного состава (5Б, ёхБ) кернов

УК16 УК18 УК19

5Б dxs 5Б dxs 5Б dxs

99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 %

315,71 460,42 65,04 252,03 349,66 390

149,32 276,25 54,86 126,02 281,67 211,25

94,44 145,39 39,93 112,01 166,23 133,42

82,46 134,76 35,22 103,4 101,4 120,71

74,66 117,55 32 96,01 52,54 111,43

63,87 69,94 28,3 83,14 37,42 71,92

57,85 66,17 27,71 75,37 24,85 64,59

48,89 51,64 24,22 65,04 24,09 62,59

40,04 44,56 23,44 57,61 23,86 57,29

31,57 39,61 23,04 31,88 23,47 49,22

23,02 31,04 22,72 27,25 22 29,65

18,73 22,64 22,1 23,44 20,12 27,18

16,13 6,12 21,68 7,07 18,81 24,55

5,36 5,91 21,22 5,83 18,54 18,64

5,11 5,83 20,63 5,72 5,38 6,85

5,08 5,69 5,42 5,6 5,3 6,08

4,98 5,66 5,23 5,43 5,28 5,65

4,91 5,61 4,92 5,22 5,26 5,39

4,89 5,36 4,82 5,07 5,06 5,34

4,86 5,27 4,52 4,94 4,88 5,29

4,80 5,24 4,5 4,86 4,86 5,14

4,79 5,08 4,43 4,82 4,79 5,11

4,69 5,01 4,4 4,74 4,77 5,06

4,66 4,9 4,38 4,69 4,75 4,98

4,54 4,64 4,35 4,66 4,74 4,96

4,46 4,63 4,34 4,65 4,71 4,89

4,44 4,6 4,25 4,61 4,7 4,87

4,42 4,52 4,24 4,52 4,6 4,77

4,33 4,46 4,22 4,48 4,43 4,74

4,32 4,44 4,14 4,43 4,38 4,71

4,29 4.39 4,09 4,42 4,35 4,65

4,28 4,31 4,07 4,28 4,28 4,63

4,17 4,2S 3,99 4,27 4,23 4,62

4,06 4,27 3,92 4,22 4,12 4,57

4,01 4,2 3,S7 4,2 4,03 4,46

3,95 4,15 3,S6 4,1S 3,9S 4,45

3,92 4,1 3,S4 4,16 3,76 4,37

3,S9 4,04 3,77 4,07 3,72 4,35

3,76 3,99 3,73 4,02 3,71 4,31

3,71 3,96 3,64 3,9S 3,67 4,23

3,6S 3,SS 3,5S 3,97 3,62 4,21

3,63 3,SS 3,56 3,76 3,53 3,S4

3,49 3,S6 3,55 3,75 3,52 3,71

3,4S 3,76 3,54 3,66 3,52 3,7

3,44 3,62 3,52 3,64 3,47 3,66

3,41 3,61 3,49 3,61 3,43 3,46

3,32 3,5S 3,43 3,49 3,36 3,4

3,24 3,5 3,4 3,4S 3,31 3,39

3,17 3,49 3,4 3,45 3,29 3,3S

3,10 3,41 3,35 2,S9 3,2S 3,37

3,03 3,31 3,35 2,S7 3,27 3,3

3,03 3,27 3,34 2,S6 3,27 3,27

2,9S 3,27 3,29 2,S 3,1S 3,16

2,96 3,26 3,26 2,79 3,04 3,15

2.95 3,23 3,26 2,75 2,9S 3,1

2,91 3,22 3,24 2,73 2,97 3,0S

2,91 3,22 3,22 2,7 2,94 3,07

2,S2 3,1S 3,1S 2,64 2,92 3,01

2,S1 2,S9 3,0S 2,63 2,91 3

2,79 2,SS 3,05 2,62 2,S9 2,99

2,7S 2,SS 2,93 2,61 2,SS 2,9S

2,77 2,S3 2,92 2,61 2,S7 2,9S

2,7 2,S3 2,9 2,6 2,S6 2,97

2,69 2,S2 2,S9 2,6 2,S6 2,96

2,6S 2,S1 2,SS 2,53 2,S5 2,S6

2,61 2,S 2,S7 2,51 2,77 2,S5

2,6 2,S 2,S7 2,41 2,71 2,S5

2,49 2,7S 2,77 2,4 2,62 2,7S

2,47 2,7S 2,76 2,37 2,61 2,7S

2,47 2,76 2,73 2,32 2,49 2,77

2,47 2,7 2,7 2,2S 2,45 2,66

2,44 2,7 2,69 2,27 2,44 2,59

2,43 2,56 2,69 2,22 2,43 2,47

2,38 2,5 2,65 2,22 2,32 2,45

2,37 2,46 2,6 2,2 2,3 2,44

2,36 2,45 2,59 2,13 2,3 2,44

2,35 2,38 2,58 2,09 2,28 2,44

2,32 2,37 2,57 2,27 2,43

2,28 2,37 2,46 2,26 2,43

2,25 2,32 2,38 2,05 2,42

2,16 2,3 2,04 2,41

2.16 2,29 2,02 2,32

2.12 2,29 2,02 2,31

2,06 2,28 2,01 2,26

2,03 2,27 2,01 2,11

2,03 2,26 2 2,05

2,22 2,02

2,22 2

2,21

2,19

2,15

2,14

2,14

2,13

2,05

ВСЕ ЕГО

5Б УК16 dxs УК16 5Б УК18 dxs УК18 5Б УК19 dxs УК19

99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 % 99 % 95 %

86 пиков 95 пиков 80 пиков 77 пиков 86 пиков 88 пиков

29 % 71 % 33 % 67 % 38 % 63 % 25 % 75 % 34 % 66 % 39 % 61 %