Ученые из России, Европы и США с 2015 года отправляются в экспедиции в горные районы, собирают образцы льда с ледников, которые находятся под угрозой исчезновения, а затем отправляют их в Антарктиду на хранение. Станислав Кутузов, заведующий отделом гляциологии Института географии РАН, рассказывает о недавней экспедиции на ледник Эльбруса и объясняет, чем же ценны для ученых эти куски льда.
Систематические наблюдения за погодой и климатом люди начали вести совсем недавно — 200 лет назад, причем средства сбора данных о климате в глобальном масштабе появились, по геологическим меркам, буквально вчера — каких-нибудь полвека назад, с изобретением метеорологических спутников. Но знать, каким был климат сотни, тысячи и миллионы лет назад, совершенно необходимо. Без этого знания ученые не смогут предсказывать его изменения в будущем. Существующие математические модели несовершенны и нуждаются в проверке и корректировке по данным о реальном климате.
К счастью, у нас есть способы получить эту информацию из природных хранилищ — палеоархивов. Изменения климата отражаются на толщине древесных годовых колец, меняют характеристики донных отложений в озерах и морях, оставляют следы в ледниках и кораллах. Например, зная химический состав и скорость роста известковых построек коралловых полипов и раковин моллюсков, можно выяснить температуру воды в разные эпохи, глубину моря, зафиксировать наступление ледникового периода.
Эти косвенные данные могут достигать годичного и сезонного разрешения, они особенно важны для создания масштабных баз данных континентального и даже глобального масштаба. Они могут быть откалиброваны относительно инструментальных данных и таким образом обеспечить создание хронологий, подходящих для статистических анализов и численного моделирования.
Ледники — самый объемный (и самый удобный для чтения) палеоархив. Изотопный состав льда — доля тяжелого кислорода 18О и дейтерия — позволяет определить температуру, при которой он сформировался; химический анализ покажет, какие аэрозоли вместе с этим снегом прилетели на ледник; исследуя пыль, можно определить, откуда она взялась, были ли в этот период засухи и извержения вулканов; пыльца расскажет о растениях.
Пример данных из «ледникового архива»: график колебаний температуры и концентрации СО2 за последние 800 тысяч лет, полученный в результате изучения ледникового керна с антарктической станции «Восток». Вверху справа красной стрелкой отмечено сегодняшнее содержание СО2 в воздухе. Изображение: National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine
Но самая важная особенность ледниковых архивов — в них в неизменном виде содержится древний воздух. При образовании льда поры между кристаллами закрываются, и в пузырьках навсегда запечатывается атмосфера прошлого. Благодаря этому свойству исследования ледниковых кернов из Антарктиды и Гренландии помогли восстановить историю колебаний температуры, концентрации парниковых газов и пыли в атмосфере Земли за сотни тысяч и миллионы лет.
Наперегонки с потеплением
Но глобальное потепление может лишить нас всех этих данных. Если континентальные ледники Антарктиды и Гренландии относительно устойчивы и не исчезнут в ближайшие сотни лет, то горные ледники тают буквально у нас на глазах (на Земле имеется небольшое число ледников, которые растут, но их на порядок меньше, чем исчезающих; базу данных по всем ледникам мира можно посмотреть здесь).
При этом палеоклиматическая информация, которую содержат горные ледники, не менее ценна, чем данные полярных ледовых щитов. Возраст льда в горах редко выходит за рамки голоцена (12 тысяч лет), но керны в горах позволяют получать региональные данные с годовым и даже сезонным разрешением. Полярные ледники в большей степени отражают глобальные процессы, их большой возраст (сотни тысяч лет) влечет за собой большие ошибки в датировках — порядка сотен лет, а горные ледники позволяют устанавливать даты с точностью до года.
Ледник на Аляске. Слева — в 1941 году (вся долина заполнена льдом), справа — в 2004 году. Изображение: U. W. O. Field; B. F. Molnia, Glacier Photograph Collection National Snow and Ice Data Center/World Data Center for Glaciology
Керны, полученные при бурении ледников в средних широтах, содержат информацию о колебаниях температуры воздуха, количестве осадков, концентрации химических соединений и антропогенном влиянии за последние несколько тысяч лет.
Например, было установлено, что увеличение кислотности осадков, концентрации сульфатов и нитратов, которое наблюдается в альпийских кернах в XX веке, связано с выбросами диоксида серы и оксида азота при сжигании ископаемого топлива, а развитие сельского хозяйства и сжигание биомассы выдает себя ростом концентрации аммония. Исследования образцов снега и фирна (слежавшегося плотного многолетнего снега) из неглубоких скважин на ледниках Тянь-Шаня показали, что рост доли аммония и нитратов связан с воздушными массами из индустриальных районов Сибири и западного Казахстана. Изучение ледников Боливии, Средней Азии и Гималаев позволило отследить рост антропогенного загрязнения в последние десятилетия.
Кроме того, благодаря горным ледникам можно отследить изменения циркуляции атмосферы в тропических и умеренных широтах, которых не «чувствуют» ледники Арктики и Антарктики, — например, динамику Эль-Ниньо, Северо-Атлантической циркуляции.
Но, как уже сказано, эти данные постепенно исчезают. Например, в 2000 и 2010 годах ученые получили керны из ледников Килиманджаро в Африке и в горах Новой Гвинеи. Однако сейчас эти ледники практически полностью исчезли, от них остались только эти керны, которые хранятся в холодильниках для будущих исследований. Помимо полного стаивания льда идет и безвозвратное «ухудшение» ледниковых архивов. Талая вода, которой становится все больше и больше, просачивается в толщу фирна и необратимо изменяет химический и изотопный состав слоев снега, искажая характеристики, которые интересуют ученых. И такая картина наблюдается на всех горных ледниках и в Арктике.
Таяние ледников на Килиманджаро (Африка). Бледно-голубым цветом обозначена площадь льда в 1912 году, темно серым — в 2011 году. Изображение: The Cryosphere
Средство от амнезии
Единственный способ уберечь природные архивы — собрать их сейчас. В 2015 году ученые из Франции, Италии, Швейцарии, США и России запустили проект по сохранению ледниковой информации для будущих поколений — «Ice Memory» («Память ледников»).
Его участники планируют провести керновое бурение на ледниках, где высока степень риска полного исчезновения палеоархивов, и отправить полученные образцы льда для хранения в Центральную Антарктиду, где средняя годовая температура достигает -50 градусов Цельсия.
Антарктида была выбрана не случайно. Это самый большой холодильник на Земле, причем сохранность отрицательной температуры в нем гарантирована. К сожалению, случаев, когда в морозильных камерах даже с самыми совершенными системами защиты выключается электричество, довольно много. Так было потеряно немало ледниковых кернов.
Кроме того, Антарктида — это территория науки, где нет границ. Именно здесь к 2020 году предполагается обустроить мировое хранилище ледниковых кернов. Образцы льда будут доступны для ученых из всех стран, но не ранее 2030 года. Ожидается, что новые методы анализа позволят минимизировать расход льда.
В качестве двух первых объектов были выбраны плато Кол дю Дом (Col du Dome, 4350 метров) в массиве Монблана, где температура снежно-фирновой толщи выросла на 1,5 градуса Цельсия за последние десять лет, и вершина горы Илимани (6432 метра) в Боливии, где сохранились данные об изменениях климата за последние 18 тысяч лет, а ледники катастрофически сокращаются. Обе экспедиции прошли с участием специалистов из Института географии РАН.
Ледники на территории России тоже сокращаются, температура внутри их толщи растет, что приводит к их неустойчивости. Именно поэтому в 2018 году сразу две экспедиции в рамках проекта «Память ледников» работали в России — на горе Белуха на Алтае и на Западном плато на Эльбрусе.
Ледниковая стена на южном склоне горы Килиманджаро в Африке отступает и вскоре может исчезнуть. Фото: N + 1
Два керна с Эльбруса
Мне посчастливилось участвовать в работах на Эльбрусе на высоте 5100 метров. 10 июня экспедиция, организованная при поддержке РНФ, вылетела из Москвы в Минеральные Воды. В короткий срок предстояло выполнить большой комплекс работ по бурению ледника с получением двух кернов льда, проведя попутно наблюдения за погодой и актинометрические наблюдения — измерения падающего и отраженного солнечного излучения с помощь радиометра.
Эта работа необходима для расчета теплового баланса у поверхности ледника и проверки моделей, описывающих их таяние. Есть гипотеза, что стремительное сокращение ледников на Кавказе в последние 20 лет обусловлено в большей степени изменением интенсивности приходящей радиации. Как оказалось, на леднике мощность излучения достигает 1250 ватт на квадратный метр, то есть атмосфера очень прозрачна, это близко к значению солнечной постоянной 1361 ватт.
После подготовки оборудования и снаряжения к транспортировке вертолетом был проведен акклиматизационный выход всей группы с ночевкой на высоте 4500 метров. 21 июня участники проекта, оборудование и снаряжение (весом около трех тонн) с вертолетной площадки на поляне Азау были доставлены к месту проведения полевых работ на Западное плато Эльбруса.
Это место было выбрано неслучайно: для сохранения климатического сигнала в точке бурения должно полностью отсутствовать таяние, здесь должно быть достаточно льда и небольшие скорости течения. Наши предыдущие исследования показали, что среднегодовая температура на плато держится около -15 градусов Цельсия, а толщина льда достигает 250 метров. Под ледником находится глубокий древний кратер Эльбруса. В течение двух дней был полностью установлен лагерь, собрана буровая установка и оборудована метеоплощадка.
Часто работы на Эльбрусе приходилось вести ночью, чтобы солнечные лучи не нагревали буровой снаряд и не повредили керн. На второй фотографии — буровая установка и купол для обработки керна после очередного снегопада. Фото: И.И.Лаврентьев / N + 1
Гляциологи — не альпинисты, и вершины Эльбруса для них — не однодневный маршрут, а место работы в течение нескольких недель. Обычно в лагере оборудуется кухня, она же кают компания, — это может быть как палатка, так и снежная пещера. Сердце лагеря — буровая и палатка для обработки керна, здесь мы проводим почти все время. Также лагерю необходимы метеоплощадка, жилые палатки, туалет.
Бурение основной скважины было начато на третий день. Мы использовали электромеханическую буровую установку. Буровой снаряд — это, по сути, труба с буровой коронкой, на которой установлены три ножа. В процессе бурения снаряд длиной 1,2 метра опускается в скважину, вращается, и через 10−15 минут труба заполняется льдом (керном льда). Затем снаряд поднимается, мы измеряем керн, описываем, взвешиваем, упаковываем и кладем в специальный теплоизоляционный контейнер, чтобы предотвратить таяние.
Лед с Эльбруса, поднятый с глубины 70 метров. Фото: С. Дель Бен
Наша экспедиция проходила в очень сложных погодных условиях. В течение 28 дней пребывания на плато мы находились в активной фронтальной зоне на периферии малоподвижного обширного циклона на европейской территории России. В результате в течение 10 дней преобладала облачная погода с осадками и ветром, скорость которого в порывах достигала 24 метров в секунду. Палатки заваливало снегом буквально по крышу, поэтому нам приходилось останавливать буровые работы и откапывать лагерь. Минимальная температура воздуха за весь период составила -18 градусов Цельсия.
Все, кто бывал в горах, знают, насколько непросто работать на большой высоте, особенно в течение длительного времени. Невзирая на неблагоприятную погоду, нам удалось пробурить две скважины глубиной 150 и 120 метров. Полученный керн относится не к очень далекой истории — на Эльбрусе возраст льда может достигать нескольких сотен лет. Но из-за довольно большого накопления снега (около 3 метров в год) здесь очень высокое разрешение сигнала, и это позволяет проследить изменения с точностью до года. Один керн будет исследован уже в ближайшее время, второй отправится в архив.
На 28-й день нашей экспедиции все ее участники, 270 метров ледникового керна и оборудование были доставлены вертолетом на поляну Азау, где нас уже ожидал рефрижераторный автомобиль. Еще через день лед уже находился в одном из холодильников Подмосковья. В Антарктиду первый лед отправится в 2020 году.
Керн льда с Эльбруса, поднятый с глубины 150 метров. Фото: И.И. Лаврентьев
Хотя проект «Память ледника» только стартовал, на сегодняшний день уже проведено бурение в Альпах, Андах, на Алтае и на Кавказе. В сентябре 2019 года запланировано бурение ледника Килиманджаро, который особенно уязвим и может исчезнуть в течение следующих десятилетий. Это единственный ледниковый архив Африки, причем его возраст может достигать нескольких тысячелетий. В дальнейшем ученые отправятся в Непал.
На территории России следующей возможной точкой бурения будет один из ледников Камчатки. Особое беспокойство вызывает активное таяние ледниковых шапок в российской Арктике, и вполне возможно, что география проекта будет расширена.
Проект «Память ледника» был поддержан ЮНЕСКО, на международном уровне признана необходимость сохранить ледниковые керны как культурное и научное наследие человечества.
Оценили 15 человек
30 кармы