Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

И именно это мы видим, когда анализируем соотношение изотопов в старой древесине. Начиная примерно с 1800 года содержание 13C в атмосфере неуклонно снижается, и темпы этого снижения ускоряются по мере того, как мы используем все больше ископаемого топлива. Доиндустриальный уровень содержания CO2 в атмосфере составлял 280 частей на миллион, тогда как сегодня он составляет 420 частей на миллион – иными словами, он возрос на 50 %. Между тем соотношение 13C/12C снизилось на 0,22 % с 1750 года по настоящее время из-за выброса молекул топлива, обедненных 13C8.

Откуда нам известно, что дело в ископаемом топливе, а не в современных растениях? Они также избирательно поглощают 13C, поэтому, когда они умирают и/или сгорают, они также выделяют в атмосферу CO2, обедненный изотопом 13C. Ответ на этот вопрос нам дает еще более тяжелый изотоп 14C. Поскольку он движется медленнее, чем13CO2, вероятность попадания 14CO2 в молекулы растений еще меньше. Но, как мы видели в главе 8, в них достаточно радиоактивного изотопа, чтобы с его помощью мы могли определить пределы колебаний в скорости его образования и установить возраст 14C. Однако возраст самых молодых видов ископаемого топлива составляет 66 миллионов лет. Это означает, что прошло 66 000 000 лет/5 731 год = 11 518 периодов полураспада: таким образом, в ископаемом топливе не осталось никаких атомов 14C. Поскольку мы наблюдаем резкое снижение содержания 14CO2 на 4 % за десятилетие, становится очевидным, что новый CO2 в атмосфере поступает из источника, гораздо более бедного 14CO2, чем современные растения.

К сожалению, из-за небольшого осложнения мы не можем сделать этот вывод на основе непосредственных наблюдений, отчего нам и приходится обращаться к моделям. В главе 8 мы уже говорили о том, что испытания ядерного оружия, проходившие с 1950 по 1963 год, привели к огромному выбросу 14C по всей планете, и первоначально весь он находился в атмосфере. Этот искусственный избыток ассимилировался растениями, почвой и океанами на протяжении шестидесяти последних лет, поэтому количество 14С неуклонно снижается до фонового уровня. Когда эта книга выйдет в печать, мы как раз пройдем границу, которая наблюдалась в 1950 году. Тогда уровень уже был ниже, чем до начала Промышленной революции – из-за того, как много ископаемого топлива мы потребили до этого срока, – и подсчеты показывают, что резкий подъем 14C, вызванный ядерными испытаниями (бомбовый эффект), сократился до нескольких процентных пунктов от первоначального значения, а к 2030 году он полностью исчезнет, после чего снижение, вызванное сжиганием ископаемого топлива, будет продолжаться примерно на 3,5 % за десятилетие9.

Столь высокие темпы снижения невозможно объяснить умеренной избирательностью, с которой современные растения поглощают 14С. Причиной может стать лишь то, что в атмосферу добавляется CO2, полностью лишенный этого радиоактивного изотопа, – иными словами, его источником оказываются давно умершие растения в ископаемом топливе, и деятельность человека однозначно меняет химический состав атмосферы Земли.

Температуры со времен последнего ледникового периода

Мы уже говорили о том, что климатическая система сложна, и если мы хотим расширить свои скромные записи о климате прошлого, где пока что зафиксированы лишь события минувшего века, то нам необходимы заменители термометров и гигрометров, которыми мы не располагали ни тысячу, ни десять тысяч, ни сто тысяч лет тому назад. Один из лучших индикаторов, позволяющих нам изучить всю историю человеческой цивилизации, – это соотношение изотопов в древесных кольцах.

Как мы отмечали в главе 8, годичные кольца представляют собой идеальный календарь. При помощи живых и давно умерших деревьев нам удалось построить полную летопись, охватывающую период от 13 900 лет до конца последнего ледникового периода. Самый простой показатель климата – это ширина кольца: как правило, чем оно шире, тем лучше условия роста в соответствующем году (более высокие температуры, достаточное количество воды – хотя есть и предостережения, о которых мы еще упомянем). В качестве показателя часто служит и плотность древесины, но прямой подсчет атомов в каждом кольце позволяет получить больше количественных данных. Отбирая образцы древесины из кольца, соответствующего нужному году, мы можем использовать стабильные изотопы Кислорода, Углерода и Водорода и с их помощью определить температуру и интенсивность осадков, – как если бы в том месте, где росло это дерево, у нас была небольшая метеостанция, записывающая эти числа на будущее.

Соотношение 18O/16O – основная величина, позволяющая нам определять температуру. Как и в случае с любым изотопным соотношением, о которых мы говорили прежде (C, N и т. д.), нам необходимо установить произвольный эталон. Здесь им служит так называемый Венский стандарт океанской воды (VSMOW)10 – образец, собранный в океане на глубине в несколько сотен метров, из которого удалены все соли и другие химические вещества. Значение для 18O/16O составляет 2005,2 ppm, или почти 0,20 %.

Как уже, наверное, очевидно, молекула воды, состоящая из H2 18O, будет тяжелее и, следовательно, медленнее, чем молекула, состоящая из H216O. Из этого можно сделать два вывода: (1) более тяжелой молекуле труднее перейти из жидкого состояния в газообразное (иными словами, испариться), и (2), как отмечалось в главе 10, если она все же испарится и поднимется к облакам, где остынет (и, таким образом, замедлится еще больше), ей легче найти «подружек», к которым она сможет прилипнуть и снова создать каплю воды, которая в конечном итоге выпадет в виде дождя или снега. То же самое можно сказать и о молекуле воды, в состав которой входит дейтерий – стабильный тяжелый изотоп Водорода (2H); впрочем, в последнем случае эффект слабее, поскольку меньше разница масс11.

Таким образом, содержание 18O тем выше, чем выше температура. Исследований, направленных на восстановление исторических температур при помощи данных об изотопах Кислорода в древесных кольцах, проводилось очень много. Т. Портер и его коллеги изучили 150-летнюю летопись (1850–2003 гг.) трех белых елей, растущих в дельте реки Маккензи на севере Канады12. Сравнив свои результаты с данными о температуре, полученными благодаря термометрической съемке, которую проводили на метеостанции в близлежащем аэропорту Инувик с 1957 по 2003 год, они показали, что наблюдалась тесная корреляция между измеренной температурой и значениями 18O, при этом два набора данных частично совпадали. Это позволило исследователям продлить температурную летопись до 1850 года; общее соотношение 18O/16O варьировалось от +1,7 % до +2,3 % по сравнению с VSMOW и ясно возрастало с 1970 по 2000 год, причем в последний год количественные показатели температуры были выше, чем в любой другой момент за 150-летний период. Вывод, сделанный авторами, заключается в том, что с 1950 по 2000 год температура в этом арктическом регионе поднялась на 1,0 °C, что вдвое превышает рост, зафиксированный на протяжении того же периода в более низких широтах, и согласуется с тенденцией к более выраженному потеплению в Арктике, которую нам удалось недавно пронаблюдать.

Те же исследователи измерили и соотношение 13C/12C, при помощи которого можно оценить влажность. Деревья вдыхают CO2 через устьица, крошечные поры, расположенные на нижней стороне листьев. Однако устьица – это улица с двусторонним движением: проходящие через них газы не только проникают внутрь листьев, но и выходят из них. В то время как в ходе фотосинтеза эти шлюзы используются для поглощения CO2 и выделения O2, по этому пути может выходить и H2O. Этот процесс называется транспирацией, и он очень важен для дерева, потому что потеря воды создает отрицательное давление, которое втягивает воду от корней до листьев; более того, он жизненно необходим для растущего слоя древесины (и сбора кленового сиропа для блинчиков). Если относительная влажность высока и осадков много, то поры остаются открытыми, не причиняя дереву вреда. Но в засушливых условиях дерево теряет через устьица слишком много воды, поэтому отверстия закрываются. Из-за этого CO2 попадает в лист с трудом, так что дереву приходится быть менее привередливым к предпочитаемым изотопам Углерода. Недавняя «калибровка» этого эффекта, образцами для которой послужили деревья из немецкого Шварцвальда, показала увеличение соотношения 13C/12C на 0,17 % на каждые 10 % снижения относительной влажности13.