Проанализировав керны антарктического льда, ученые из CU Boulder и международная группа исследователей создали наиболее подробную картину недавней климатической истории планеты, включая летние и зимние температуры за 11 000 лет до начала так называемого голоцена.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature, является первой в своем роде сезонной температурной записью из любой точки мира.

"Целью исследовательской группы было расширить границы возможного в интерпретации климата прошлого, и для нас это означало попытку понять климат в кратчайшие сроки, в данном случае сезонно, от лета до зимы, год за годом, на протяжении многих тысяч лет", - сказал Тайлер Джонс, ведущий автор исследования, доцент и научный сотрудник Института арктических и альпийских исследований (INSTAAR).

Исследование также подтверждает один из аспектов давней теории о климате Земли, который ранее не был доказан: как сезонные температуры в полярных регионах реагируют на циклы Миланковича. Сербский ученый Милутин Миланкович столетие назад выдвинул гипотезу о том, что коллективный эффект изменений положения Земли относительно Солнца в результате медленных колебаний ее орбиты и оси является сильной движущей силой долгосрочного климата Земли, включая начало и конец ледниковых периодов (до какого-либо значительного влияния человека на климат).

"Я особенно рад, что наш результат подтверждает фундаментальное предсказание теории, используемой для объяснения климатических циклов ледникового периода на Земле: интенсивность солнечного света контролирует летние температуры в полярных регионах, а значит, и таяние льда", - сказал Курт Каффи, соавтор исследования и профессор Калифорнийского университета в Беркли.

Эти более подробные данные о долгосрочных климатических закономерностях прошлого также являются важной базой для других ученых, которые изучают влияние антропогенных выбросов парниковых газов на наш современный и будущий климат. Зная, какие планетарные циклы происходят естественным образом и почему, исследователи могут лучше определить влияние человека на изменение климата и его воздействие на глобальную температуру.

"Это исследование - то, с чем люди действительно могут быть связаны, потому что мы частично воспринимаем мир через смену времен года - документирование того, как летняя и зимняя температура менялась во времени, поможет нам понять климат", - сказал Джонс.

Ученые всего мира уже давно изучают прошлый климат Земли с помощью ледяных кернов, собранных на полюсах. Эти тонкие, цилиндрические столбики льда, выбуренные из древних ледяных щитов (в основном в Антарктиде и Гренландии), предоставляют ценные долгосрочные данные, запечатленные во времени, обо всем - от концентрации парниковых газов в атмосфере в прошлом до температуры воздуха и океанов в прошлом.

Ледяной керн Западно-Антарктического ледникового щита (WAIS) Divide, самый длинный ледяной керн, когда-либо пробуренный американскими исследователями, имеет длину 11 171 фут (или более 2 миль) и диаметр 4,8 дюйма, содержащий данные 68 000 лет назад. Ледяные керны, подобные этому, затем аккуратно разрезаются на более мелкие части, которые можно безопасно транспортировать, хранить или анализировать в лабораториях ледяных кернов по всей стране, например, в Лаборатории стабильных изотопов Университета Калифорнии в Боулдере.

Для данного исследования ученые проанализировали непрерывную запись соотношения изотопов воды в ледяном керне WAIS. Соотношения между концентрацией этих изотопов (элементов с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов) позволяют получить данные о прошлых температурах и атмосферной циркуляции, включая переходы между ледниковыми периодами и теплыми периодами в прошлом Земли.

Однако измерение сезонных изменений в истории нашей планеты по ледяным кернам особенно сложно из-за тонкой детализации, необходимой для их более коротких временных масштабов. Процесс внутри ледяного покрова, известный как диффузия, или естественное сглаживание, может размыть эти необходимые детали.

Эти изотопы воды не остаются на одном месте в верхней части ледяного щита, а перемещаются по взаимосвязанным путям (подобно воздушным карманам в пенополистироле), поскольку они меняют состояние между паром и льдом в течение десятилетий или столетий, прежде чем достаточно затвердеть. Этот процесс может "размыть" данные, которые исследователи пытаются изучить. Но благодаря использованию высококачественных ледяных кернов из Западно-Антарктического ледникового щита, измерениям с чрезвычайно высоким разрешением и достижениям в анализе ледяных кернов за последние 15 лет, команда смогла исправить диффузию, присутствующую в данных, и завершить исследование.

"Кроме того, нам пришлось разработать совершенно новые методы для работы с этими данными, потому что никто никогда не видел их раньше. Нам пришлось выйти за рамки того, что кто-либо делал в прошлом", - говорит Джонс.
Изучение стабильных изотопов

Хотя исследование подробно описывает историю климата Земли, работа, лежащая в его основе, имеет свою собственную историю.

Более трех десятилетий исследователи лаборатории стабильных изотопов INSTAAR изучают различные стабильные изотопы - нерадиоактивные формы атомов с уникальными молекулярными характеристиками, которые встречаются повсюду - от кернов льда и углерода в вечной мерзлоте до воздуха в нашей атмосфере. Джонс пришел в лабораторию в 2007 году в качестве студента магистратуры и никогда не покидал ее.

"Я отчетливо помню, как примерно в 2013 году я вошел в кабинет своего руководителя Джима Уайта и показал ему, что мы сможем получить летние и зимние значения в этой записи за последние 11 000 лет, что бывает крайне редко. Насколько мы понимали, никто никогда не делал этого раньше", - говорит Джонс. "Мы посмотрели друг на друга и сказали: "Вау, это будет действительно большое дело".

Затем потребовалось почти десятилетие, чтобы понять, как правильно интерпретировать данные, полученные из ледяных кернов, пробуренных за много лет до этой встречи.

Брюс Вон, соавтор и главный ученый проекта, а также руководитель Лаборатории стабильных изотопов, и Брэдли Маркл, соавтор исследования и доцент ИНСТААР и факультета геологии, участвовали в сборе льда в Западной Антарктиде, который был отправлен обратно и проанализирован.

Следующим шагом команды будет попытка интерпретировать ледяные керны высокого разрешения в других местах - например, на Южном полюсе и в северо-восточной Гренландии, где уже были пробурены керны, чтобы лучше понять изменчивость климата нашей планеты.

"Людям свойственно любопытство к тому, как устроен мир и что происходило в прошлом, потому что это может помочь нам понять, что может произойти в будущем", - сказал Джонс.