Мы не заметили, как начался и закончился новый ледниковый период: почему глобальное потепление остановило его в 1960 году

Двадцать две тысячи лет назад, во время пика последнего ледникового периода, большая часть Северной Америки находилась подо льдом. Территорию современной Канады и северных штатов США покрывал Лаврентийский ледяной щит — самый большой массив льда на планете в ту эпоху. По площади он приближался к современной Антарктиде, а толщина льда местами достигала трех километров. В этом щите было сосредоточено столько замерзшей воды, что уровень мирового океана находился на 80 метров ниже нынешнего.

Около 11,7 тысячи лет назад климат Земли изменился: началась наша нынешняя теплая межледниковая эпоха. Из-за плавных изменений орбиты Земли северные широты стали получать больше солнечного тепла летом. Огромный ледяной щит начал таять, разрушаться и отступать на северо-восток, в сторону канадской Арктики.

До недавнего времени считалось, что этот древний ледник только сокращался, а следующий ледниковый период наступит лишь через многие тысячи лет. Однако группа геологов и климатологов под руководством Николаса Янга из Колумбийского университета и Гиффорда Миллера из Университета Колорадо в Боулдере опубликовала в журнале Science исследование, которое меняет эту картину.

Ученые обследовали последний уцелевший остаток Лаврентийского щита — ледяную шапку Барнс на острове Баффинова Земля. Оказалось, что древний ледник перестал уменьшаться более двух тысяч лет назад. В самом начале нашей эры он развернулся и снова начал расти. На Земле естественным путем начался новый ледниковый период, который продолжался две тысячи лет и прервался лишь около 1960 года, когда рост ледника остановили промышленные выбросы парниковых газов.

Почему ледяная шапка Барнс так чувствительна к климату

Остров Баффинова Земля расположен на севере Канады, между Гренландией и материковой частью Северной Америки. Для специалистов по истории климата центральная часть этого острова имеет особое значение. Расчеты показывают, что именно здесь начинаются великие оледенения Северной Америки: когда климат остывает, лед сначала покрывает Баффинову Землю, а затем расползается на юг, захватывая континент. Когда же наступает теплая эпоха, ледник стягивается обратно на этот остров.

Сегодня в центре Баффиновой Земли лежит ледяная шапка Барнс. Это купол льда длиной около 150 километров и шириной около 60 километров. В его нижних слоях до сих пор сохранился древний лед, оставшийся с прошлого ледникового периода.

У этого ледника есть важная географическая особенность, которая отличает его от большинства других ледников канадской Арктики. Обычно современные арктические ледники находятся высоко в горах — на отметках более 1500 метров над уровнем моря. На такой высоте даже летом держится мороз, поэтому зимний снег там не тает, уплотняется и превращается в лед.

Ледяная шапка Барнс устроена иначе. Она лежит не в горах, а на плоской каменистой равнине (плато), которая поднята над уровнем моря всего на 500 метров. При нынешнем климате на такой небольшой высоте ледник появиться не может — летнее тепло полностью растопит весь выпавший за зиму снег.

Шапка Барнс существует только за счет собственной высоты. Толщина этого ледяного купола составляет около 700 метров. Сложенные вместе 500 метров высоты каменного плато и 700 метров толщины самого льда поднимают макушку купола на высоту 1200 метров над уровнем моря. Благодаря этому верхушка ледника достает до холодных слоев воздуха и оказывается выше так называемой снеговой линии — высотной границы, выше которой снег не успевает растаять за лето.

Такое положение делает ледяную шапку Барнс крайне зависимой от летней погоды. Если лето становится немного холоднее, снеговая линия опускается ниже, снег перестает таять на большей площади, и ледник быстро растет. Если же лето теплеет, снеговая линия уходит вверх, выше макушки купола, и ледник сразу лишается питания.

Почему этот ледник не уничтожил следы своего прошлого

Геологи давно пытались выяснить, до какого минимального размера сжимался Лаврентийский щит в нашу теплую эпоху и пытался ли он снова расти в недавнем прошлом. Но ответить на этот вопрос мешало то, как обычно ведут себя ледники при движении.

У большинства крупных ледников нижний слой льда под давлением огромной массы сверху немного подтаивает. Образуется водяная смазка, по которой лед скользит по камням. Двигаясь вперед, такая масса льда работает как мощный скребок: она сдирает почву, выворачивает кустарники, дробит скалы и толкает перед собой огромные валы из камней и грязи. Из-за этого наступающий ледник полностью стирает все следы того, каким был ландшафт до его прихода. Понять, где именно находилась граница ледника в период его наибольшего сжатия, становится невозможно — все улики оказываются уничтожены самим льдом.

Однако на том участке шапки Барнс, где работали исследователи, лед ведет себя по-другому. Из-за суровых арктических температур он промерз насквозь, и его нижняя часть намертво примерзла к каменному основанию. Водяной смазки под ним нет, поэтому ледник не скользит по породе. Когда на его верхушке накапливается снег и масса купола растет, лед просто медленно выдавливается и растекается в стороны под собственной тяжестью.

Продвигаясь вперед по каменистой тундре, такой примерзший к основанию лед не сдирает почву и не ломает скалы. Он плавно накрывает растущие на земле мхи, лишайники и мелкие кустарники, замораживая их прямо на том месте, где они росли. Под толщей холодного льда эти растения сохраняются в неприкосновенности сотни и тысячи лет. А когда климат теплеет и край льда отступает, древняя растительность и нетронутая поверхность скал снова выходят на открытый воздух.

В период с 1960 по 2022 год из-за современного потепления край ледяной шапки Барнс отступил назад на расстояние от 200 до 800 метров. Граница, до которой ледник доходил в 1960 году, отчетливо видна на местности и на спутниковых снимках. За пределами этой линии скалы имеют темный цвет, так как они плотно заросли древними лишайниками. А внутри линии — на полосе земли, которая недавно освободилась от льда, — камни светлые и почти лишены живых растений. При этом на самой границе 1960 года нет никаких каменных валов, что подтверждает: ледник наступал сюда без скольжения и не двигал камни.

Именно на этой освободившейся полосе шириной в несколько сотен метров ученые нашли сохранившиеся под льдом мертвые растения и открытые скалы, которые позволили точно восстановить расписание жизни ледника.

Как по камням и мхам определили время движения льда

Чтобы узнать, когда древний ледник отступил и когда он снова начал наступать, авторы работы использовали два разных физических метода. Первый метод работает с камнями и показывает время ухода льда, а второй работает с погибшими растениями и показывает время прихода нового льда.

Первый метод основан на измерении количества радиоактивного бериллия-10 в поверхности скал и отдельных валунов. Нашу планету постоянно бомбардируют космические лучи — поток частиц высокой энергии из космоса. Пока скала укрыта толстым слоем льда, эти частицы не могут до нее добраться. Но как только ледник тает и камень оказывается под открытым небом, космические лучи начинают ударять по атомам кислорода и кремния, из которых состоит минерал кварц в породе. От этих ударов в верхнем слое камня (буквально в первых сантиметрах) постепенно образуется и накапливается редкий радиоактивный бериллий-10.

Скорость, с которой образуется это вещество, ученым хорошо известна. Поэтому, отколов кусочек породы с поверхности скалы и пересчитав в лаборатории атомы бериллия-10, можно точно узнать, сколько тысячелетий этот камень пролежал под открытым небом без ледяного укрытия.

Второй метод — это радиоуглеродный анализ мертвых растений, которые вытаивают из-под отступающего края ледника. Пока мох или арктический кустарничек живет, он поглощает углекислый газ из воздуха, в том числе и небольшую долю радиоактивного углерода-14. Как только наступающий ледник накрывает растение, оно погибает и перестает обмениваться газами с атмосферой. С этого момента радиоактивный углерод внутри тканей растения начинает с постоянной скоростью распадаться. Измерив, сколько углерода-14 осталось в высохшем стебле мха, ученые узнают точную дату гибели растения — то есть год, когда край растущего ледника наполз на эту конкретную точку тундры.

Неожиданная задержка таяния и разворот в начале нашей эры

Сначала исследователи проверили с помощью бериллия-10, когда древний Лаврентийский щит отступил через изучаемую территорию. Они взяли пробы камней в трех местах: с древних каменных гряд в 7-9 километрах от нынешнего ледника, со скал сразу за границей максимума 1960 года и со светлых скал внутри этой границы, у самого современного края льда.

Все три группы камней показали одинаковое время пребывания на открытом воздухе: около 3560 лет назад (с возможной погрешностью около 240 лет). Это значит, что на финальном этапе своего таяния Лаврентийский щит сокращался очень быстро. Около 3,6 тысячи лет назад его край стремительно отступил через всю эту долину и ушел глубже того рубежа, где лед заканчивается сегодня.

Этот результат поставил перед учеными важный вопрос. Известно, что в нашей теплой эпохе самое жаркое лето в Арктике было в самом начале — около 11-10 тысяч лет назад. После этого, из-за плавного изменения наклона земной оси и формы орбиты, количество солнечного света, попадающего в северные широты летом, непрерывно уменьшалось. Лето в Арктике столетие за столетием становилось прохладнее. Снеговая линия над Баффиновой Землей начала опускаться еще 9 тысяч лет назад, а после 5 тысяч лет назад ее снижение заметно ускорилось. Почему же тогда ледяной щит продолжал быстро таять вплоть до 3,6 тысячи лет назад, если климат вокруг уже давно становился холоднее?

Авторы исследования объясняют это тем, что тающий ледяной щит потерял слишком много высоты на более раннем этапе. В конце ледникового периода и в начале теплой эпохи Лаврентийский щит разрушался не только от солнечного тепла, но и за счет быстрого сползания огромных масс льда напрямую в океан. Из-за этой быстрой потери объема ледяной купол сильно просел. Его поверхность оказалась на малой высоте над уровнем моря — там, где воздух оставался теплым даже несмотря на общее постепенное похолодание в Арктике. Ледник продолжал таять просто потому, что его верхушка находилась слишком низко и не доставала до опускающейся сверху снеговой линии. (Земная кора на Баффиновой Земле, освободившись от тяжести льда, за последние три тысячи лет немного выпрямилась и приподняла плато примерно на 20 метров, но этого подъема не хватило, чтобы спасти ледник от таяния).

Сжатие ледника остановилось лишь тогда, когда опускающаяся с неба снеговая линия наконец догнала уменьшившийся ледяной купол. Это произошло в промежутке между 3 и 2 тысячами лет назад. В этот период последний остаток Лаврентийского щита достиг своего абсолютного минимума за всю современную эпоху — он был заметно меньше нынешней шапки Барнс, но полностью исчезнуть не успел.

Около 2000 лет назад, на рубеже нашей эры, наступил перелом. Снеговая линия опустилась до отметки около 800 метров над уровнем моря и коснулась поверхности центрального плато Баффиновой Земли.

Чтобы точно установить эту дату, исследователи привлекли данные по 186 образцам древних растений, собранных у краев соседних небольших и тонких ледяных шапок, разбросанных по тому же плато. Из-за малой толщины эти небольшие ледники сегодня отступили гораздо сильнее, чем массивная шапка Барнс, обнажив самые ранние этапы оледенения. Оказалось, что ни одно из 186 погребенных растений не погибло раньше начала нашей эры. Это доказывает, что до рубежа 2000 лет назад ледники на плато не росли, а в начале нашей эры пошли в рост одновременно по всему региону.

Плоский рельеф Баффиновой Земли резко ускорил этот процесс. Когда снеговая линия опустилась до уровня равнины, снег перестал таять летом сразу на огромной территории. Возник цепной процесс охлаждения: сплошной белый снежный покров стал отражать большую часть солнечных лучей обратно в космос, не давая каменному плато прогреваться. От этого воздух над островом стал еще холоднее, в окружающих морях увеличилась площадь плавучих льдов, что привело к дальнейшему падению летних температур и новому росту ледников.

Две тысячи лет наступления

Как именно разрасталась сама ледяная шапка Барнс, ученые проследили по 88 образцам мертвых растений, собранных по всему периметру ее северного и южного куполов.

Особенно подробную летопись удалось получить на одном участке юго-восточного края ледника. В прошлом вплотную к этому краю примыкало небольшое озеро (сейчас оно высохло). Вода подмывала и ускоренно разрушала лед, поэтому к 2022 году кромка ледника в этом месте отступила на 400 метров глубже, чем на соседних сухих участках. Благодаря этой выемке исследователи смогли пройти на 800 метров вглубь территории, которая раньше была скрыта подо льдом, и собрать 16 образцов растений на разном расстоянии от границы 1960 года.

Датировки выстроились в строгую последовательность: чем дальше от современного края льда (и чем ближе к границе максимума 1960 года) росло растение, тем позже оно погибло. Это прямое доказательство того, что край ледника веками двигался вперед, постепенно захватывая тундру:

• Самые древние растения, найденные у самого нынешнего края льда (в 700-750 метрах внутри от границы 1960 года), погибли около 1000 года нашей эры. Растения, которые ледник накрыл на самом раннем этапе своего роста — между началом нашей эры и 1000 годом, — сегодня все еще находятся под толщей шапки Барнс. Они покажутся на поверхности только при дальнейшем таянии купола.
• Сопоставление данных с малых ледников плато и шапки Барнс показало, что лед наступал неравномерно, ускоряясь в периоды особенно холодных столетий: между 250 и 450 годами, между 850 и 1000 годами, а также между 1250 и 1450 годами нашей эры. В частности, на отметке около 1450-1500 годов фиксируется крупный рывок льда вперед, за которым последовало небольшое отступление и новый натиск.
• Около 70% всех найденных вокруг шапки Барнс растений (64 образца из 88) погибли в период около 1800 года (с разбросом в 200 лет). Это время завершения так называемого Малого ледникового периода. По климатическим данным, десятилетия между 1780 и 1880 годами отличались самыми холодными летними сезонами в Северном полушарии за последние десять тысяч лет. В это время возрождающийся Лаврентийский щит вплотную подошел к своему историческому максимуму.

Таким образом, на протяжении двух тысяч лет остаток древнего ледяного щита устойчиво набирал массу и площадь, формируя ядро нового континентального оледенения.

Остановка 1960 года и роль парниковых газов

Если бы климат Земли подчинялся только астрономическим законам, ледяная шапка Барнс продолжала бы расти и сегодня, поскольку количество летнего солнечного света в северных широтах продолжает снижаться. Однако с середины XVIII века, с началом промышленной революции, в атмосфере стала расти концентрация парниковых газов — углекислого газа, метана и закиси азота, которые удерживают тепло у поверхности планеты.

Исследование показывает, что разные ледники Баффиновой Земли отреагировали на этот дополнительный нагрев в разное время — в зависимости от своей толщины и массы.

Первыми начали таять небольшие и тонкие ледяные шапки, лежащие на плато вокруг Барнса. Из-за малой массы льда они быстро реагируют на любые колебания температуры воздуха. В период с 1750 по 1850 год концентрация парниковых газов в атмосфере выросла всего на 12 частей на миллион (в пересчете на эквивалент углекислого газа). Вызванного этим небольшого потепления в конце XVIII — начале XIX века хватило, чтобы тонкие ледяные шапки на самых низких участках плато прекратили расти и начали исчезать.

Гигантская ледяная шапка Барнс толщиной 700 метров сопротивлялась потеплению еще полтора века. Огромная масса промерзшего льда обладает большой тепловой инерцией: чтобы остановить и обратить вспять движение такого массивного тела, требуется гораздо более сильный и долгий нагрев воздуха. Архивные аэрофотоснимки и измерения гляциологов середины XX века показывают, что вплоть до конца 1950-х годов шапка Барнс находилась на пике своего расширения и почти не теряла массу (локальное отступление началось лишь в 1957 году на участке у бывшего озера).

Повсеместное отступление ледяной шапки Барнс началось около 1960 года. К этому времени концентрация парниковых газов в атмосфере выросла еще на 50 частей на миллион по сравнению с серединой XIX века, а летние температуры в Арктике заметно повысились. Снеговая линия поползла вверх, и ледник начал стремительно терять зону, где он мог накапливать снег:

• В 1960-1980 годах выше снеговой линии находилось около 35% поверхности шапки Барнс.
• В начале 2000-х годов выше этой границы оставалось всего около 3% площади купола.
• После 2010 года (при том, что к 2024 году концентрация парниковых газов выросла еще на 138 частей на миллион) снеговая линия поднялась выше самой высокой точки купола. Ледник полностью лишился области питания и с тех пор каждое лето только тает.

Почему ученые раньше не замечали начала нового ледникового периода

Выводы группы Янга и Миллера дают ответ на два крупных вопроса, вокруг которых долгое время шли споры в науке о климате.

Первый вопрос связан с работой компьютерных моделей климата. В последние годы несколько научных групп пытались рассчитать температуру Земли за последние 11 тысяч лет с помощью компьютерных программ, объединяющих разрозненные косвенные данные по всему миру. Эти программы выдавали результат, согласно которому средняя температура на планете все эти тысячелетия якобы не снижалась, а оставалась ровной или даже понемногу росла вплоть до начала промышленной эпохи.

Однако геологи, изучающие реальные ледники на местности, видели другое: в последние несколько тысяч лет ледники в Северном полушарии повсеместно наступали. Новые данные с Баффиновой Земли показывают, в чем именно ошибались компьютерные реконструкции. Программы не смогли точно учесть местные природные процессы в Арктике — прежде всего то, как сильно разрастающийся снежный покров и морской лед отражают солнечный свет и дополнительно охлаждают регион. Похолодание в северных широтах было реальным и достаточно сильным, чтобы запустить рост континентального ледяного щита.

Второй вопрос еще масштабнее: почему раньше считалось, что даже без влияния человека следующий ледниковый период начался бы только через многие тысячи лет?

Причина кроется в том, каким способом обычно изучают древние оледенения. Поскольку на суше ледники часто стирают следы своих прошлых границ, историю ледниковых периодов за последние 2,5 миллиона лет принято восстанавливать по отложениям на дне мирового океана. Ученые поднимают со дна колонки ила и изучают химический состав микроскопических раковин древних морских организмов. Эти существа строят свои раковины из кислорода, который содержится в морской воде.

В природе существует обычный легкий кислород-16 и более редкий тяжелый кислород-18. Молекулы воды с легким кислородом испаряются с поверхности океана быстрее, переносятся ветрами на континенты и выпадают там в виде снега. Если на суше начинается ледниковый период, этот снег не тает и не возвращается с реками в море, а запирается в растущих ледяных щитах. В результате в мировом океане остается меньше легкого кислорода и становится больше тяжелого, что сразу отражается на составе раковин донных организмов.

Этот метод надежен, но у него есть предел точности. Мировой океан огромен. Чтобы изъятие легкой воды на постройку ледников изменило химический состав всего океана на заметную для приборов величину, ледяные щиты на суше должны сначала вырасти до гигантских размеров — в них должно накопиться столько льда, чтобы уровень мирового океана упал на несколько метров.

Иными словами, морские отложения фиксируют ледниковый период только тогда, когда он уже находится в полном разгаре, и совершенно не замечают первые тысячелетия его зарождения на суше. Прямые же геологические наблюдения на Баффиновой Земле позволили увидеть самый первый шаг этого процесса. В природе новый ледниковый период не был отложен на далекое будущее — он начался по расписанию две тысячи лет назад, но деятельность человека остановила его развитие в середине XX века.

Источник: Science