Kvartero ledynų kosminis laikrodis (Foto)

Ledynai kaip paleoklimato archyvai

Šiandieninėje žiniasklaidoje neįmanoma išvengti diskusijų apie klimato kaitą, ir tai greičiausiai yra gerai, jei mums bent kiek rūpi žmonijos ateitis. Klausimas, ar vykstantys klimato pokyčiai yra sukelti žmogaus, vis dar kelia ginčus ir dažnai išnaudojamas politinėse kovose, nepaisant plačiai pripažįstamo mokslininkų sutarimo. Atmosferos, vandenynų, Žemės paviršiaus ir kriosferos (ledynų ir ledo dangų) sąveikos sudaro labai sudėtingas sistemas. Tad suprasti jose vykstančius procesus, modeliuoti jų vyksmą ir daryti patikimas prognozes apie būsimus klimato pokyčius yra didelis iššūkis. Siekiant pakeisti mūsų supratimą apie klimato kaitą mokslininkai remiasi praeities klimato pokyčiais: specifiniai Žemės istorijos duomenys padeda patikrinti dabartinius klimato modelius.

Kalbant apie praeities klimatą negalima apsieiti ir be ledynų. Tikriausiai pastebėjote, kad jie dažnai minimi diskusijose apie klimato kaitą. Ledynai yra svarbūs dėl daugelio priežasčių: jie reguliuoja regioninius mikroklimatus, tarnauja kaip gėlo vandens šaltiniai, o jų išnykimas, kaip kad Anduose, gali sukelti sausras tose vietovėse, kurios anksčiau buvo drėgnos ir derlingos. Taip pat gerai žinoma Pasaulinio vandenyno vandens lygio kilimo problema, glaudžiai susijusi su Antarkties ir Grenlandijos ledynų tirpimu.

Turbūt girdėjote apie ledynų kernus, išgautus gręžiant kilometrų storio Antarkties ir Grenlandijos ledynų sluoksnius. Analizuodami šiuos giliuosius ledynų mėginius mokslininkai atkūrė Žemės atmosferos cheminės sudėties kaitą per paskutinius šimtus tūkstančių metų, atskleisdami ryšį tarp pasaulinių temperatūros svyravimų ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracijų.

Tačiau šie duomenys pateikia tik labai apibendrintą visos planetos vaizdą, o juk ji yra didelė ir įvairi. Ar gali būti, kad skirtingi žemynai, veikiami vietinių atmosferos ir vandenynų srovių, patyrė skirtingus klimatinius pokyčius? Todėl kyla klausimas, ar visa klimato kaitos istorija nėra sudėtingesnė nei kad apibendrintas naratyvas apie pasaulinį atšilimą?

Kosminis „lietus“ ir jo palikimas

Ledynai sutinkami visuose žemynuose, net netoli ekvatoriaus Kolumbijoje ir Ekvadore, kur jie paplitę didesniame nei 5000 metrų aukštyje. Jų augimas ar tirpimas yra puikus vietinio klimato pokyčio rodiklis. Tačiau kaip mes galime tirti ledynų pokyčius, kurie įvyko daugiau nei prieš kelis šimtmečius, t. y. dar prieš atsirandant istoriniams įrašams?

Galbūt nustebsite, tačiau čia į pagalbą ateina kosminė radiacija. Tai – nuolatinis dalelių srautas, kurį sudaro protonai, neutronai, įvairūs atomų branduoliai bei platus subatominių dalelių spektras. Šios dalelės kilusios iš Saulės ir supernovų — sprogusių žvaigždžių, išsibarsčiusių visoje Visatoje. Kai kurios jų sprogo gilioje kosminėje praeityje, tačiau jų poveikis vis tiek jaučiamas dar ir šiandien. Kai šis dalelių „lietus“ susiduria su atomais atmosferoje ir Žemės paviršiuje, jis sukelia branduolines reakcijas. Įsivaizduokite, kad į ką nors atsitrenkę lietaus lašai suskyla į mažesnius lašelius, tuo tarpu kiti lašeliai sugauna šiuos atskilusius fragmentus ir tampa dar didesni. Panašiai, kaip ir atomai: vieni jų suskyla į lengvesnius elementus, o kiti sugaudo šiuos elementus ir tampa sunkesniais.

Pavyzdžiui, iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad kalnų slėnyje ramiai gulintis uolienos luitas, savo sudėtyje turintis kvarco, praktiškai nereaguoja į jokius išorinius veiksnius. Tačiau iš tikrųjų jis yra pastoviai veikiamas minėto kosminio „lietaus“. Kuo ilgiau tai trunka, tuo daugiau kvarce esančių deguonies-16 izotopo atomų (kurie turi iš viso šešiolika protonų ir neutronų) branduolinės reakcijos metus yra suskaidomi į lengvesnius berilio-10 izotopus (kurie turi iš viso dešimt protonų ir neutronų). Berilio-10 ypatybė yra ta, kad jis natūraliai nesiformuoja Žemėje jokiomis kitomis sąlygomis, o tiktai veikiant kosminei spinduliuotei. Pasirodo, kad šis faktas yra ypač svarbus geologams ir geochemikams sprendžiantiems svarbias mokslines problemas.

Berilio-10 izotopo susidarymas veikiant kosminei spinduliuotei, sukeliančiai branduolines reakcijas Žemės paviršiaus uolienose.

Berilis ir ledynai

Ledynas, net ir kalnų ledynas, paprastai būna bent keliasdešimt metrų storio — t. y. pakankamai storas, kad visiškai apsaugotų po juo esančią uolieną nuo kosminės radiacijos. Kai ledynas juda, jis ardo žemiau esančias uolienas, įtraukdamas ir pernešdamas jų fragmentus, įskaitant ir kvarcą. Kai ledynas galiausiai sutirpsta, Žemės paviršiuje atsidūręs kvarcas staiga tampa pažeidžiamas kosminio spinduliavimo, ir jame pradeda kauptis berilis-10. Matuodami pastarojo koncentraciją mokslininkai gali nustatyti, kiek laiko tiriamoji uoliena buvo veikiama kosminio „lietaus“, t. y. sužinoti, kada toje vietoje ledynas visiškai sutirpo.

Didžiulį berilio-10 matavimų potencialą tiriant ledynų paliktas nuogulas, mums žinomas kaip morenos, mokslininkai pripažino pradedant 1990-aisiais. Nuo to laiko intensyvūs tyrimai leido mokslininkams rekonstruoti ledynų pulsacijas visame pasaulyje, atsekant jų didžiausius pokyčius, įvykusius per šalčiausią paskutinio ledynmečio fazę, buvusią maždaug prieš 16 000–25 000 metų. Pastaruoju metu nustatytas dar vienas įspūdingas faktas, kad panašus procesas vyksta ir su chloro-36 izotopu klintyse, tad mokslininkai turi dar vieną metodą datuoti ledynų pasitraukimą tose vietose, kur ledynai vietoj kvarcų turtingų uolienų paliko tik karbonatų turinčias nuogulas.

Nebylūs ledynų masyvai, kuriuos žmogus sugebėjo „prakalbinti“

Šiuo metu, pasinaudojant kosminės radiacijos pagrindu sukurtais metodais, yra intensyviai datuojamos ledynų paliktos morenos visame pasaulyje. Šiuos datavimus derinant su kitų tyrimų duomenimis gaunami rezultatai, kurie leidžia mokslininkams daryti plačias išvadas apie ledynų evoliuciją skirtinguose regionuose pastarojo tarpledynmečio (holoceno) metu, kuriame mes gyvename jau 12 000 metų.

Šiuo laikotarpiu skirtinguose Žemės pusrutulio dalyse ledynai vystėsi nepriklausomai ir gana skirtingai. Šiaurės pusrutulyje ledynai laikotarpiu tarp 11 000 ir 8000 metų prieš dabartį tirpo ir traukėsi, daugelis jų buvo mažesni nei kad jie yra šiandien. Laikotarpiu, prasidėjusiu apie 4000 metų prieš dabartį ir vadinamu neoglacialu, ledynai aukštosiose (pvz. Aliaskoje ir Skandinavijoje) ir vidutinėse platumose (pvz. Alpėse) vėl pradėjo plėstis. Šis procesas tęsėsi, su įvairios trukmės intensyvesnio tirpimo ir atsitraukimo etapais, iki pramoninės eros pradžios, maždaug iki 1800-ųjų metų. Reikšmingas ledynų atsitraukimas įvyko, pavyzdžiui, per šiltąjį periodą, trukusį nuo Viduramžių pradžios iki maždaug 1250-ųjų metų. Tropinių Andų ledynai atspindėjo ledynų evoliuciją Skandinavijoje ir Grenlandijoje dėl, tikėtina, dominuojančio Atlanto vandenyno srovių poveikio šiose srityse. Tačiau Azijos musonų poveikio zonoje (pvz., Himalajuose) ledynai ir toliau traukėsi iki maždaug 3000 metų prieš dabartį. Pirmojo mūsų eros tūkstantmečio pradžioje kai kurie iš šių ledynų vėl pradėjo augti, tačiau daug lėčiau nei šiaurinėse platumose.

Pietų pusrutulyje reikšmingas ledynų atsitraukimas įvyko tarp 11 000 ir 9000 metų prieš dabartį. Tačiau, per palyginti šiltą laikotarpį šiaurės pusrutulyje, tarp 8000 ir 4000 metų prieš dabartį, daugelyje vietų buvo pastebima priešinga tendencija – ledynai plėtėsi Patagonijoje ir Vakarų Antarktidoje. Tuo tarpu ledynai Rytų Antarktidoje greitai tirpo ir traukėsi, tuo bylodami apie sudėtingą vandenynų srovių ir atmosferos cirkuliacijos sąveiką šioje pasaulio dalyje. Naujojoje Zelandijoje ledynai nuolat, tik su trumpais stabilumo laikotarpiais, traukiasi nuo pat paskutinio ledynmečio pabaigos.

Taigi, ledynus skirtinguose pasaulio regionuose dažnai įtakojo nepriklausomos, o neretai net visiškos priešingos, tendencijos. Laikotarpiu tarp 8000 ir 4000 metų prieš dabartį šie skirtumai buvo susiję, greičiausiai, su Žemės orbitos svyravimais, lėmusiais Saulės energijos pasiskirstymo pokyčius tarp pusrutulių. Vandenynų ir atmosferos cirkuliacija, įskaitant musonus, taip pat vaidino svarbų vaidmenį. Mažasis ledynmetis, trukęs maždaug nuo 1250-ųjų iki 1850-ųjų metų, paskatino ledynų suaktyvėjimą, tad kai kurie ledynai pasiekė didžiausią savo paplitimą per pastaruosius 12 000 metų. Tačiau nuo pramoninės eros pradžios — apytiksliai nuo 1800-ųjų metų — ledynai visame pasaulyje traukiasi. Geologiniai tyrimai rodo, kad šis sinchroniškas pasaulinis ledynų tirpimas ir traukimasis neturi precedento per pastaruosius kelis tūkstančius metų, išskyrus paskutiniojo ledynmečio pabaigą. Tačiau, skirtingai nei dabartinis atšilimo etapas, ledynmečio perėjimo į tarpledynmetį (holoceną) laikotarpis turėjo gerai suprantamas priežastis, susijusias su planetos orbitos pokyčiais. Dabartiniai klimato modeliai nesugeba paaiškinti šiuo metu stebimo pasaulinio ledynų tirpimo, jeigu juose neatsižvelgiama į žmogaus sukeltą poveikį gamtai, ir tai, manytume, yra vienas stipriausių įrodymų apie dabartinės klimato kaitos antropogeninę prigimtį.

Berilio-10 paveldas ir anglies vaidmuo

Taikant kosminius amžiaus nustatymo metodus yra tam tikra tikimybė, kad kvarce nustatytas berilis-10 gali būti susijęs su kokiu nors ankstesniu kosminės radiacijos poveikiu tiriamai uolienai. Pavyzdžiui, galimas atvejis, kai kvarcu turtinga uoliena paskutiniojo ledynmečio metu suformuotoje morenoje jau anksčiau buvo paveikta kosminės radiacijos, t. y. dar prieš atslenkant paskutiniojo apledėjimo ledynui, per ankstesnį tarpledynmetinį, kuris baigėsi maždaug prieš 100 000 metų. Tokiu atveju, kai kurie iš šių „paveldėtų“ berilio-10 izotopo atomų galėjo išlikti kvarce iki pat mūsų dienų. Berilis-10 yra radioaktyvus izotopas ir jo gyvavimo pusperiodis yra maždaug 1,4 milijono metų, o tai reiškia, kad dar daug berilio-10 atomų galėjo išlikti nesuirusių per minėtų 100 000 metų laikotarpį. Kadangi „paveldėtas“ berilis-10 nesiskiria nuo naujai atsiradusiojo, tai gali sukelti dideles datavimų paklaidas.

Tačiau čia į pagalbą ateina radioaktyvusis anglies-14 izotopas, dar vadinamos radiokarbonu. Buvo nustatyta, kad radiokarbonas taipogi susidaro kvarce per panašų kosmogeninį procesą kaip ir berilio-10 izotopas. Tačiau jo gyvavimo pusperiodis trumpesnis – apie 5730 metų, tad visi radiokarbono atomai iš ankstesnio tarpledynmečio būna jau seniai suirę. Naujausia ledynų morenų datavimo tendencija – iš naujo analizuoti anksčiau ištirtus berilio-10 mėginius, siekiant nustatyti radiokarbono kiekį juose. Šioje tyrimų sferoje progresas vyksta labai sparčiai, vos ne kasdien pasirodant naujiems kosminės kilmės izotopų tyrimų rezultatams ir tuo atveriant naujus kelius būsimiems atradimams.

Principinė ledyno suformuotų morenų datavimo schema, iliustruojanti didėjantį berilio-10 izotopo kiekį Žemės paviršiuje esančiose uolienose ilgėjant kosminės spinduliuotės trukmei.

Paleoklimato dėlionė

Geologai visuomenei teikia žinias apie gamtinius išteklius — ar tai būtų kuras branduolinėms elektrinėms, žinios apie žemės gelmes įvairiems statybų projektams, naftos ir dujų gavyba, ar net geriamojo vandens paieškos. Tačiau vienas iš jų svarbiausių indėlių klimato kaitos eroje yra Žemės praeities gamtinių sąlygų atkūrimas. Kosminės kilmės izotopų pritaikymas, kaip kad šiame straipsnyje aprašyto berlio-10 izotopo, yra tik vienas iš daugelio pavyzdžių, kaip geologija, kartu su kitomis mokslo disciplinomis padeda atkurti mūsų planetos istoriją ir pateikia įrodymų apie žmonijos poveikį klimato sistemai.

Suakmenėjusių gyvūnijos bei augalijos liekanų (fosilijų) tyrimai taip pat atlieka svarbų vaidmenį atkuriant paleoklimatą. Analizuodami mikrofosilijas, tokias kaip foraminiferas iš senovinių jūrų nuosėdų, arba ežerų bei pelkių nuosėdose sutinkamas žiedadulkes ir diatomėjas, mokslininkai gali rekonstruoti praeities aplinkos sąlygas. Stabilių deguonies ir anglies izotopų santykis fosilijose (pvz., koralų skeletuose) gali atskleisti metinį kritulių kiekio ir temperatūros svyravimą net ir tūkstančių metų senumo fosilijose. Organiniai junginiai, žinomi kaip biomarkeriai, gali išlikti nuosėdose milijonus metų, suteikdami įrodymų apie senovines biologines bendrijas ir tuo metu buvusią aplinkos temperatūrą bei kritulių kiekį.

Didžiulis geologų indėlis į praktines žinias gali būti įkvėpimas tiems, kurie savo karjerą sieja su geosferos tyrimais, leidžiančiais pažvelgti į Žemės gelmes ir rekonstruoti jos evoliuciją, tuo pat metu darant reikšmingą įtaką visuomenės nuomonės formavimui įvairiais gamtamoksliniais klausimais.

Valstybinio mokslinio tyrimo instituto Gamtos tyrimų centro mokslininkas Dr. Michal Šujan