Глубоководные и ледниковые керны

 

Дно океана является бесценным архивом изменений климата в древности. Глубоководные керны дают длинные столбцы отложений дна океана, которые заключают в себе скелеты маленьких морских организмов, которые когда-то жили вблизи поверхности океана. Планктонические фораминиферы (протозоа), обнаруженные в глубоководных кернах, состоят в основном из карбоната кальция. При жизни их крохотные скелеты поглощали органические изотопы. Соотношение этих двух изотопов — кислорода-16 и кислорода-18 — меняется в результате испарения. Если степень испарения высока, большая часть более легкого кислорода-16 извлекается из океана, а планктон обогащается более тяжелым кислородом-18. Когда на суше во время периодов оледенения формируются огромные ледниковые панцири, уровень моря понижается, так как влага забирается континентальными ледяными шапками. В такие периоды в мировых океанах содержалось больше кислорода-18 относительно кислорода-16, это соотношение отражается миллионами фораминифер. Для измерения этого соотношения используются масс-спектрометры. Оно не отражает изменения температуры в древности, но является просто констатацией размера океанов и современного состояния суши.

Климатические изменения можно также подтвердить другими фактами, такими как изменение количества фораминифер и других морских микроископаемых в кернах. Используя статистические методики и сделав предположение, что отношение между различными видами и состоянием моря не изменилось, климатологи смогли перевести эти частоты в цифровые оценки поверхностных температур и солености океана на протяжении нескольких сотен тысяч лет и вывести климатический профиль для большей части ледникового периода (рис. 12.4). Эти данные были подтверждены в ключевых точках радиоуглеродным датированием и изучением палеомагнетизма. Магнитное реверсирование Матияма-Брюнхес 780 000 лет назад (когда магнитное поле Земли неожиданно переменилось) является ключевым стратиграфическим маркером, который можно идентифицировать как в морских кернах, так и в вулканических слоях на суше, где оно может быть точно датировано по калий-аргоновым образцам.

 

Рис. 12.4. Глубоководный керн, служащий стандартным эталоном для последних 780 000 лет, взят на Соломоновом плато в юго-западной части Тихого океана. Явление Матияма-Брюнхес произошло на глубине 11,9 метра. Выше него по пилообразной кривой идентифицируют по крайней мере восемь полных ледниковых (гляционных) и межледниковых (интергляционных) циклов

 

Один из самых подробных глубоководных кернов получен в бассейне Кариока у Карибского побережья Венесуэлы. Самые верхние 5,5 метра из 170-метрового Карибского керна охватывают последние 14 000 лет, при этом скорость осаждения составляет около 30 сантиметров на 1000 лет. Четкость осаждения Кариока была настолько точной, что рентгенофлуоресцентный сканер мог считывать замеры основных концентраций титана с промежутком в 2 мм, что соответствует интервалам всего в 4 года. Концентрации титана отражают величину почвенных отложений, впадающих в бассейн Кариока, и, таким образом, дают последовательность изменений речного потока и колебания величины атмосферных осадков во времени. Высокая концентрация говорит об осадках, маленькая — о сухих условиях. Поскольку засушливые состояния в Южной Америке обычно связаны с процессами, происходящими в течении Эль-Ниньо, то колебания титана являются точным отражением не только засухи, но и состояния Эль-Ниньо. Керн Кариока пролил свет на крушение древней цивилизации майя в южных долинах Центральной Америки после VIII века н. э. Исключительная четкость в керне говорит о серии из четырех сильных засух приблизительно в 760, 810, 860 и 910 годах н. э., последняя из них продолжалась около шести лет, промежутки между ними составляли 40–47 лет. Эти показания совпадают с цифрами, полученными при исследовании озерных кернов в землях майя, — по этим данным интервалы составляли 50 лет (Хог — Haug et al., 2003).

Глубоколедниковые керны являются эквивалентами донных кернов, но они создают иные проблемы интерпретации. Палеоклиматологи провели глубокие бурения во льдах Гренландии, Антарктики, в горных ледниках и ледяных шапках Китая и Перу, разделенных между собой огромными расстояниями. Многие из проблем интерпретации вращаются вокруг сложного процесса, при котором слои ежегодно выпадающего снега погружаются глубже и глубже в ледник, пока не спрессовываются в итоге в лед. Ученым пришлось изучить различные текстуры летнего и зимнего льда, с тем чтобы составить отчеты об осадках за длительное время, уходящие глубоко в геологическое время. Для того чтобы оценить изменения льда во времени, они также используют различные индикаторы температур, такие как содержание двуокиси углерода и метана, а также другие химические свойства льда. Изменения в выпадении снега особенно важны, так как они являются свидетельством скорости потепления и охлаждения при неожиданных климатических изменениях. Исследователи теперь умеют читать ледниковые керны, как древесные кольца, при хорошем разрешении до 12 000 лет назад, точность улучшается и до 40 000 лет. Ледниковые керны оказались особенно полезными не столько для изучения долговременных климатических колебаний во время ледникового периода, сколько для изучения кратких эпизодов потепления и похолодания, которые случались посередине оледенений, что имело значительное влияние на человечество. Например, ученые полагают, что во время ледникового периода, приблизительно 25 000—35 000 лет назад, во время относительно теплых коротких периодов времени, в Западной Европе имели место взрывы деятельности человека (Ван Андель — van Andel, 1997).

Ледниковые керны обнаруживают сложные климатические изменения, в том числе те длительные изменения, случившиеся в результате цикличности орбиты в 100 000 лет и 23 000 года. Гренландские керны позволяют заглянуть в прошлое на 150 000 лет назад, дав сведения о двух ледниковых (гляционных) и межледниковых (интергляционных) циклах. Те же керны отмечают быстрое потепление в период между 15 000 и 10 000 лет назад и о многочисленных незначительных сдвигов с тех пор (Элей — Alley, 2000).

В 2000-м году на российской станции «Восток» международная научная экспедиция закончила бурение самого глубокого керна на глубину 3623 метра сквозь Антарктический ледниковой панцирь. Бурение прекратилось в 120 метрах от обширного подледного озера из-за угрозы загрязнения его жидкостями, используемыми при бурении (Петит и другие — Petit and others, 1999). Керн со станции «Восток» уносит на 420 000 лет назад, во время которых было четыре перехода от ледниковых к теплым периодам. Эти сдвиги происходили циклически, через интервалы в 100 000 лет, первый был 335 000 лет назад, затем 245 000, 135 000 и 18 000 лет назад. Кажется, что имеют место две периодичности, первая — приблизительно в 100 000 лет и другая в 41 000 лет. Вместе они соответствуют давно выдвинутой теории о том, что изменения в орбитальных параметрах Земли — эксцентричности, наклонении (obliquity) и прецессии (precession) орбиты — вызывают изменения интенсивности и распределения солнечного излучения. Это, в свою очередь, вызывает естественные крупномасштабные климатические изменения (рис. 12.5).

 

Рис. 12.5. Климатические изменения за последние 420 000 лет, полученные с помощью ледникового керна на станции «Восток» в Антарктике

 

Гренландский керн и керн со станции «Восток» также свидетельствуют об основных изменениях концентрации в атмосфере основных тепличных газов — двуокиси углерода и метана. Все четыре перехода от периодов оледенения к потеплению, зарегистрированные на станции «Восток», сопровождались повышением содержания атмосферного углекислого газа CO2 от приблизительно 180 частиц на миллион по объему до 300. (В настоящее время этот уровень с учетом деятельности человека, вызывающей потепление, составляет 365 частиц на миллион.) В то же самое время уровень атмосферного метана CH4 увеличивался с приблизительно 320–350 частиц на миллиард до 650–770 частиц на миллиард. Почему уровень CO2 во время этих четырех переходов увеличивался так быстро — неизвестно, но многие специалисты считают, что ключевую роль в атмосферных изменениях играют поверхностные температуры Южного океана. Гренландские ледниковые керны ясно показывают, что изменения уровней содержания CH4 совпадают с основными температурными изменениями в Северном полушарии.

Если эти связи корректны, то тогда мы можем разделить события, произошедшие не только в начале голоцена, но также и в более ранние периоды переходов. Во-первых, изменения орбитальных параметров Земли вызвали окончание периода оледенения. Далее, увеличение содержания парниковых газов усилило слабый орбитальный сигнал. По мере продолжения переходного периода, уменьшающееся из-за быстрого таяния обширных ледниковых панцирей в Северном полушарии альбедо (солнечное отражение) усиливало скорость глобального потепления.

Дав детальное описание начал и окончаний всех периодов оледенения за последние 420 000 лет, керн со станции «Восток» показал нам, что мировой климат всегда находился в состоянии изменений. Он всегда колебался, но только до голоцена. Климат во время голоцена выходит за рамки этих изменений. По своей длительности, стабильности, степени потепления и концентрации парниковых газов потепление за последние 15 000 лет превышает любые другие, зафиксированные на «Востоке». Цивилизация родилась во время этого замечательно длинного лета. И мы до сих пор еще не знаем, когда и как закончится это лето.

Ледниковые керны свидетельствуют также и о средних сдвигах длительностью 5–10 тысяч лет, а также предоставляют информацию, очень важную для археологов, но пока еще мало понятую, — частые климатические изменения с периодичностью около тысячи лет. Все три типа климатических изменений отражены в графическом представлении ледниковых кернов. Эти графики похожи на частотную диаграмму радиоприемника, проигрывающего три станции одновременно.

Некоторые палеоклиматологи считают, что изменения арктического климата могли вызвать изменения по всему миру, что было отражено в материалах исследования пыльцы на озерах Флориды, льдов в Андах и осадочных пород на дне пролива Санта-Барбара в Калифорнии. Исследования ледниковых кернов также дали свидетельства о циклических засухах и других климатических изменений во время голоцена, что будет обсуждаться далее в этой главе.

Ледниковые и морские керны в соединении с анализом пыльцы определили широкие рамки плейстоцена, и археологи ими часто оперируют. Этот вопрос достоин обобщения (см. рис. 12.6).

 

Рис. 12.6. Условная хронология и деление ледникового периода.

 

 

Рамки плейстоцена

 

Плейстоцен начался около 1,8 миллиона лет назад, во время длительного похолодания океанов Земли. В эти тысячелетия климат постоянно менялся. Плейстоцен обычно делят на три длинных периода.

Нижний плейстоцен продолжался от начала ледникового периода до 730 000 лет назад. Глубоководные керны говорят о том, что климатические колебания между теплыми и прохладными периодами были еще сравнительно незначительными. Это были очень важные тысячелетия, поскольку в течение этого длительного периода люди распространились из тропических регионов Африки в другие места, а затем и в умеренные широты Европы и Азии.

Средний плейстоцен с перемены магнитной полярности Земли Матьяма-Брюхнеса около 780 000 лет назад, с изменения, которое было признано геологически не только с помощью глубоководных кернов, но также и с помощью калий-аргоновой датировки вулканических пород на суше.

С тех пор было, по крайней мере, восемь холодных (гляциалов) и теплых (интергляциалов) циклов, причем последний цикл закончился приблизительно 12 000 лет назад. (Строго говоря, мы до сих пор находимся в интергляциале, межледниковье.)

Обычно холодные циклы начинались постепенно, при этом обширные континентальные ледниковые панцири формировались на суше — в Скандинавии, в Альпах и в северных частях Северной Америки (рис. 12.7). Эти выросшие ледниковые панцири запирали огромные количества воды, вызывая падение уровня морей на несколько десятков метров во время оледенения. География мира менялась, и большие континентальные шельфы становились открытыми для заселения людьми. Когда начиналось потепление, происходило быстрое таяние ледников, и уровень моря поднимался, при этом в течение нескольких тысячелетий затоплялись низкие прибрежные зоны. Во время пиков оледенения ледники занимали до одной трети земной поверхности, а во время интергляциалов они были такими же, как и сейчас.

 

Рис. 12.7. Более темным цветом показано распространение основный ледниковых панцирей в Европе и Северной Америке во время максимального оледенения в ледниковый период, более светлым цветом выделены земли, обнажаемые при падении уровня морей

 

В течение последних 780 000 лет вегетационные изменения отражали колебания климата. Во время оледенений безлесные арктические степи и тундра покрывали большую часть Европы и часть Северной Америки, но во время интергляциалов вытеснялись умеренными лесами. В тропиках и африканской Сахаре в это время могли быть луга, но ледниковые и пустынные ландшафты значительно преобладали во время сухих и холодных периодов.

Верхний плейстоцен начался 128 000 лет назад с началом последнего межоледенения. Этот период продолжался до около 118 000 лет назад, когда медленное похолодание дошло до оледенения в Европе и Северной Америке. Это Вюрмское оледенение, названное так по названию реки Вюрм в Альпах, длилось около 15 000 лет, после чего наступил период быстрого возвращения к умеренным условиям.

Вюрмское оледенение являлось периодом постоянных климатических колебаний, в северных широтах случались эпизоды более умеренного климата (см. рис. 12.4). Оно служило фоном для одних из самых важных событий в доисторические эпохи. Важнейшим из них является распространение анатомически современного Homo sapiens sapiens из тропиков во все части Старого Света и в Америки. В период между 30 000 и 15 000 лет назад климат в Северной Евразии было очень холодным, но и очень изменчивым. Ряд культур охотников-собирателей каменного века возник как в открытой тундре Центральной Европы и Евразии, так и в защищенных речных долинах юго-запада Франции и в Северной Испании. Эти культуры известны замечательными артефактами из обычной кости и кости рога оленя и исключительными произведениями искусства.

Восемнадцать тысяч лет назад, во время последнего максимума оледенения, география мира было другой. Эти отличия сыграли важную роль в доистории человечества — можно было пройти пешком из Сибири на Аляску по плоской низкой равнине, по Берингову мосту суши (рис. 12.8). По этому маршруту первые люди попали в Америку приблизительно 12 000 лет назад, хотя некоторые ученые придерживаются теории расселения с побережья (Диллехей — Dillehay, 2000). Низкие прибрежные зоны Юго-Востока Азии были намного более экстенсивно заселены 15 000 лет назад, чем теперь, и в каменном веке там могло прокормиться растущее население. Непостоянное распределение вегетативных зон также оказывало влияние на структуру расселения людей и на ход истории человечества.

 

Рис. 12.8. Реконструкция Берингова моста суши. Аляска окончательно отделилась от Сибири 11 000 лет назад, когда вследствие потепления повысился уровень морей

 

 

Анализ пыльцы

 

Еще в 1916 году шведский ботаник Леннарт фон Пост использовал окаменевшие зерна пыльцы таких знакомых всем деревьев, как береза, дуб и сосна, для разработки последовательности вегетационных изменений в Северной Европе после ледникового периода (Димблиби — Dimbleby, 1985). Он показал, как арктическая безлесная тундра уступила дорогу березовым лесам, а затем смешанным дубовым в резкой последовательности изменений, которая отражена в образцах пыльцы, взятых из болот и топей по всей Скандинавии. С тех пор анализ пыльцы (палинология) стал чрезвычайно развитым методом изучения как окружающей среды в древности, так и воздействия человека на растительность (см. вставку «Практика археологии»).

С помощью анализа пыльцы реконструируют изменения растительности в древности, что дает возможность взглянуть на то, как люди адаптировались к климатическим изменениям. Например, палинология дает новое представление о жизни в период последнего оледенения на юго-западе Франции 15–20 тысяч лет назад (Гэмбл — Gamble, 1999) (см. рис. 12.2). Это был период сильного арктического холода, Европа замерзала, и люди выживали благодаря арктическим животным и искали прибежища в низких долинах рек, таких как Дордонь и Везер, где были найдены одни из самых древних образцов наскальной живописи. Зерна пыльцы из скальных укрытий и стоянок охотников-собирателей каменного века этого периода помогают получить весьма разнообразную картину климата в этом регионе. Это облик благоприятной арктической среды с постоянными изменениями климата с удивительно умеренными условиями, особенно на южных склонах низких речных долин. Здесь люди укрывались в пещерах, куда заглядывало зимнее солнце, где снег таял весной раньше, вблизи от основных путей миграции северного оленя и мест, где зимовала арктическая дичь. Растительный покров не был безлесным, как считают обычно, там росли сосны, березы и иногда встречались другие листопадные деревья, в равнинах были зеленые луга.

Заключительная часть ледникового периода являлась фазой постоянных и часто резких длительных и кратких перемен. Некоторые из этих перемен длились тысячелетиями, почти современные условия в умеренной Европе прерывались намного более холодными зимами. Другие холодные или теплые периоды длились веками, заставляя людей быстро адаптироваться к новым условиям. Как и сегодня, случались намного более короткие климатические эпизоды, длившиеся год или больше, с необычно теплым летом с наводнениями или засухами или другими краткими явлениями.

 

ПРАКТИКА АРХЕОЛОГИИ

АНАЛИЗ ПЫЛЬЦЫ

Принцип анализа прост. Большое количество зерен пыльцы рассеивается в атмосфере, и они хорошо сохраняются, если попадают в геологический горизонт, не подверженный воздействию воздуха. С большой точностью зерна пыльцы можно идентифицировать с помощью микроскопа (рис. 12.9) и использовать для реконструкции картины растительности, вплоть до простейших трав, которые росли рядом с местом обнаружения пыльцы.

Анализ пыльцы начинается в поле. Ботаники берут образцы пыльцы из близко расположенных друг к другу мест из стратиграфических разрезов на памятнике. Далее в лаборатории их изучают под мощными микроскопами. Зерна каждого рода или вида подсчитывают и получившиеся цифры подвергают статистическому анализу. Для получения последовательности вегетационных изменений на памятнике итоги статистического анализа коррелируют со стратиграфическими слоями раскопок и данными о естественных вегетационных последовательностях. Обычно такая вегетационная последовательность отражает течение нескольких столетий или даже тысячелетий (рис. 12.10). Она образует часть намного более длительной пыльцовой последовательности для данного региона, составленной из сотен образцов из различных памятников. В Северной Европе, например, ботаники разработали сложные серии вегетационных временных зон, охватывающие последние 12 000 лет. Сравнивая пыльцовые последовательности из отдельных памятников с общей хронологией, ботаники могут дать сравнительную датировку для конкретного памятника.

Применение палинологии для изучения древности очевидно, так как памятники часто обнаруживают в болотистых слоях, где пыльца хорошо сохраняется, а также если стоянки и поселения рыболовов или охотников за дичью спускались к воде. Отдельные артефакты или даже человеческие тела (такие как Толлундский человек, обнаруженный в датских болотах, см. рис. 4.3) также находят в таких слоях. Иногда пыльцу находят в маленьких кусках торфа, прилипших к таким находкам. И тогда ботаники могут датировать даже такие изолированные находки, которые иначе датировать было бы невозможно. До недавнего времени специалисты по пыльце оперировали столетиями. Сейчас, благодаря современным методам и радиоуглеродной датировке с помощью ускоряющей масс-спектрометрии, они могут изучать даже сиюминутные эпизоды, такие как земледельческий случай, описанный в начале этой главе (см. также главу 7). Например, резкое снижение пыльцы лесных деревьев во многих местностях Европы свидетельствует о первых расчистках с земледельческими целями, и датировать эти события можно с точностью почти до десятилетий, до момента, когда впервые появляются такие характерные травы, как Plantago lanceolata. В США, у археологов юго-запада, теперь имеется региональная последовательность пыльцы, которая дает не только информацию о климате, но также и ценную информацию о функции различных комнат в селениях пуэбло и о различных видах пищи, употреблявшейся их обитателями.

 

 

Рис. 12.9. Зерна пыльцы: ели (слева) и пихты (справа). Увеличены в 340 раз

 

Рис. 12.10. Длинная пыльцовая последовательность для ледникового периода из Испании (слева) по сравнению кривыми изотопов кислорода, взятыми из глубоководного керна в Бискайском заливе (слева), видна близкая корреляция между ними