Vos2k — проект изучения климата центральной Антарктиды (в районе станции Восток) за последние 2000 лет по данным исследования неглубоких снежно-фирновых кернов. Vos2k — российский вклад в международный проект IPICS 2k Array. Последние 2000 лет служат тем естественным климатическим фоном, на который накладывается антропогенное потепление, начавшееся около 1850 года и резко ускорившееся в последние десятилетия (см. 6-й оценочный доклад МГЭИК).
В настоящее время в рамках Vos2k пробурены 4 скважины в ближайших окрестностях станции Восток глубиной 55-70 м и одна скважина в районе Ледораздела Б глубиной 20,5 м. Первые результаты изучения климата центральной Антарктиды за последние 2000 лет опубликованы здесь:
Верес А.Н., Екайкин А.А., Липенков В.Я., Туркеев А.В., Ходжер Т.В. Первые данные о климатической изменчивости в районе ст. Восток (Центральная Антарктида) за последние 2000 лет по результатам изучения снежно-фирнового керна. – Проблемы Арктики и Антарктики, 2020, т. 66, № 4, с. 482-500, https://doi.org/10.30758/0555-2648-2020-66-4-482-500.
С 2021 года проект выполняется при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 21-17-00246 «Климатическая изменчивость на Восточно-антарктическом плато за последние 2000 лет» (руководитель А.А. Екайкин).
Краткое изложение результатов работ по проекту в 2021 году. Все результаты и данные будут выкладываться в открытый доступ после их публикации в рецензируемых научных журналах.
1. Приобретено устройство доставки стандарта Picarro A0101. Оно было протестировано в ЛИКОС ААНИИ, а затем вместе с лазерным анализатором Picarro L2140 и необходимым периферийным оборудованием погружено на судно «Академик Фёдоров» для доставки в Антарктиду. Работы по измерению изотопного состава водяного пара атмосферы на станции Восток начнутся в 20-х числах декабря 2021 г.
2. Закончено измерение изотопного состава кернов VK18 и VK19, пробуренных на станции Восток.
3. Выполнено измерение изотопного состава керна RB20 длиной 20,5 м, полученного на Ледоразделе Б в 300 км к западу от ст. Восток во время гляциологического похода в январе 2020 г.
4. Создан банк данных изотопного состава снежно-фирново-ледяной толщи Антарктического ледяного щита. Банк данных включает около 80 изотопных профилей (как опубликованных, так и не опубликованных), охватывающих период времени от 200 до 2000 лет и полученных в том числе в районе Восточно-антарктического ледникового плато (между станциями Восток и Конкордия).
5. Выполнен анализ изотопного состава образцов поверхностного (в слое 0-1,5 см) снега в районе станции Восток, отбиравшихся на протяжении летнего и зимнего сезона 66-й РАЭ (с 7 февраля 2020 г. по 31 января 2021 г.).
6. Составлена единая база данных изотопного состава атмосферных осадков, отбиравшихся на станции Восток с декабря 1998 по январь 2020 года. Для каждого образца эта база данных включает тип осадков (осадки из облаков, ледяные иглы или изморозь), средние значения метеорологических параметров за время выпадения осадка, а также сопутствующие метеорологические явления (в частности, позёмок и/или метель). Всего эта база содержит данные по 278-ми образцам осадков (в том числе для 205 образцов имеются данные о значении 17O-excess).
7. На основе этой базы данных был выполнен анализ изотопно-температурной зависимости для трёх типов осадков и четырёх сезонов года (Тебенькова и др., 2020).
8. Закончены измерения химического состава керна VK16 в интервале 990-7019 см с разрешением 2 см, в образцах определена величина рН и содержание главных ионов (Са2+, Mg2+, Na+, K+, NO3−, Cl−, SO42− и MSA).
9. В 2021 году опубликована 1 статья в журнале, входящем в индекс цитирования РИНЦ: Тебенькова Н.А., Екайкин А.А., Лэппле Т., Нотц Д., Козачек А.В., Верес А.Н. Связь изотопного состава разных типов осадков в Центральной Антарктиде с температурой воздуха. – Проблемы Арктики и Антарктики, 2021, т. 67, № 4, с. 368-381, https://doi.org/10.30758/0555-2648-2021-67-4-368-381.
Основные результаты работ по проекту Vos2k в 2022 году:
В ходе гляциологических работ на станции Восток в сезон 67-й РАЭ (январь 2022 г.) получены новые данные об изотопном составе атмосферных осадков и подстилающей снежной поверхности. Пробурена новая скважина глубиной 30,2 м и вскрыт шурф глубиной 2,4 м, измерена плотность и электропроводность снежно-фирновой толщи, взяты пробы на химический и изотопный анализ.
Впервые в российской практике выполнены измерения изотопного состава водяного пара атмосферы центральной Антарктиды. Показано, что воздух в районе станции Восток находится в состоянии насыщения относительно льда, т.е. его абсолютная влажность определяется температурой. Типичные значения влажностью в ночные и дневные часы составляют порядка 150-300 и 400-800 ppm (что соответствует давлению водяного пара 0,09-0,19 и 0,25-0,50 гПа). Изотопный состав водяного пара, по-видимому, находится в равновесии с изотопным составом подстилающей снежной поверхности.
В Лаборатории изменений климата и окружающей среды (ЛИКОС ААНИИ) закончены измерения изотопного состава (включая кислород 17) образцов осадков, собиравшихся на ст. Восток на протяжении 2000 года. Начаты измерения изотопного состава образцов, собранных на ст. Восток в сезон 67-й РАЭ.
Получены данные о химическом составе керна RB20 глубиной 20,5 м, пробуренного в районе Ледораздела Б в январе 2020 г. По данным концентрации сульфатов определена глубина залегания слоёв, содержащих продукты вулканических извержений (Кракатау 1883 г., Тамбора 1816 г, Паркер 1641 г.). С помощью этих маркеров возраста был продатирован весь керн, возраст фирна на глубине 20,5 м составил 400 лет. Средняя скорость снегонакопления в этом пункте равна 2,28 г см-2 год-1.
Изучены процессы в снежной толще, имеющие место после отложения атмосферных осадков и приводящие к изменению их первоначального изотопного состава. В результате этих «пост-депозиционных» процессов изотопный состав снега обогащается на 1-4 ‰ по кислороду 18. Более того, наши результаты говорят о том, что изотопный состав снежно-фирновых отложений связан не со средней годовой температурой воздуха, а с температурой снежной поверхности в летний сезон года.
Составлен инвентарь вулканических событий за последние 2200 лет, записанных в изученных нами кернах. Всего обнаружено 68 вулканических пиков, из которых 22 были надежно идентифицированы (в том числе Тамбора 1816 г. н.э., Уайнапутина 1601 г. н.э., Самалас 1258 г. н.э., Илопанго 541 г. н.э. и другие).
Основываясь на вулканических маркерах возраста, были построены хроностратиграфические шкалы для кернов VK (станция Восток) и RB20 (Купол Б на Ледоразделе Б). С помощью функции глубина-возраст вертикальные профили изотопного состава преобразованы во временные ряды. Для изотопных рядов станции Восток характерно отсутствие значимых трендов за последние 2,2 тыс. лет, а также уменьшение амплитуды колебаний при увеличении возраста, что связано с диффузионным сглаживанием изотопных колебаний в более древних слоях снежно-фирновой толщи. Изотопный ряд на Куполе Б в целом схож с рядами Востока, но при более низких значениях изотопного состава (-57,6 ‰ по кислороду 18 по сравнению с -57,1 ‰ на Востоке).
Составлен новый детальный сводный профиль плотности снежно-фирновой толщи на станции Восток до глубины 70 м, основанный на данных 32 снежных шурфов и кернов. На профиле выделяются несколько стадий уплотнения: быстрое уплотнение в верхних 27 см снега, более медленное уплотнение до глубины 22 м, и переход от снега к фирну на глубине 22,5 м при плотности 0,526 г см-3. С целью изучения гляцио-климатических условий, при которых формировалась плотность снежно-фирнового покрова, мы применили полуэмпирическую модель Херрона и Лангвэя (1980). В первом приближении наблюдаемое распределение плотности можно воспроизвести, задав в качестве параметров модели начальную плотность снега, равную 0,35 г см-3, температуру поверхности ледника, равную -57 °С, и скорость снегонакопления в диапазоне 1,8-2,1 г см-2 год-1.
Изучены характеристики пространственно-временной изменчивости скорости снегонакопления в районе станции Восток, определено соотношение сигнала и шума в рядах аккумуляции и изотопного состава снега. Показано, что в отдельных рядах скорости снегонакопления количество сигнала составляет лишь около 4 %, а в рядах изотопного состава – порядка 9 %. Этот вывод подчеркивает необходимость получения сводных рядов по данным нескольких кернов.
Обнаружен значимый рост скорости снегонакопления за последние 50 лет, связанный с ростом местной температуры воздуха. Коэффициент регрессии между скоростью аккумуляции и температурой составляет 0,235±0,025 г см-2 год-1 °C-1 (11±2 % °C-1).
Выполнена подготовка к гляциологическим работам на станции Восток в сезон 68-й РАЭ (январь 2023 г.). В частности, изготовлено самодельное устройство для ручной подачи стандарта в лазерный анализатор, которое обеспечивает достаточно низкую влажность (до 400 ppm) в камере анализатора, сопоставимую с влажностью воздуха на станции Восток в летний сезон.
Подготовлены 3 статьи, из которых одна опубликована в журнале «Лёд и снег» и две – на рецензии в журналах “Frontiers in Earth Sciences” и “Journal of Glaciology”. Сделано 3 доклада на международных конференциях. На заседании Полярной комиссии Русского географического общества прочитана научно-популярная лекция на тему «Солнце, лёд, вулканы и общество: история климата и цивилизации за последние 2000 лет»:
Основные результаты работ по проекту Vos2k в 2023 году:
В 2023 году завершился проект РНФ «Климатическая изменчивость на Восточно-антарктическом плато за последние 2000 лет» (21-17-00246). Все поставленные перед нами цели и задачи в рамках этого проекта были выполнены в полном объеме.
В результате большого объема лабораторных измерений в Лаборатории изменений климата и окружающей среды Арктического и антарктического НИИ (г. Санкт-Петербург) и Лаборатории гидрохимии и химии атмосферы Лимнологического института СО РАН (г. Иркутск) создан уникальный банк данных об изотопном и химическом составе атмосферных осадков, поверхностного снега и снежно-фирновой толщи на глубину до 70 м в районе станции Восток, Купола Б и на профилях Прогресс — Восток и Восток – Купол Б. Составлена летопись вулканических извержений, продукты которых достигли станции Восток, за последние 2200 лет. 22 из этих вулканических пиков были надежно ассоциированы с хорошо датированными вулканическими событиями, что позволило создать хроно-стратиграфическую шкалу (функцию «глубина-возраст») для исследуемых фирновых кернов. Получен надежный сводный профиль плотности снежно-фирновой толщи до глубины 70,2 м. Исследована мелкомасштабная пространственно-временная изменчивость изотопного состава и скорости накопления снега в районе станции Восток, что позволило определить отношение климатического сигнала к «стратиграфическому шуму» в индивидуальных временных рядах этих параметров.
Полученный в ходе выполнения проекта обширный массив гляциологических и геохимических данных позволил охарактеризовать основные процессы, формирующие изотопный состав снежно-фирновой толщи, и разработать методику реконструкции прошлых изменений приземной температуры воздуха по изотопным данным из снежных шурфов и фирновых кернов. В частности, показано, что в ходе пост-депозиционных процессов (массового и изотопного обмена между снежной толщей и водяным паром приземного слоя воздуха) изначальный климатический (температурный) сигнал изотопного состава атмосферных осадков существенно преобразуется. В результате этого изотопный состав снежно-фирновых отложений связан не со средней годовой температурой воздуха, а с температурой тёплого периода (декабрь-январь). Также показано, что для корректной реконструкции температуры воздуха недостаточно лишь данных о концентрации одного из тяжелых изотопов (дейтерия либо кислорода 18): необходимо также учитывать данные об изменении такого параметра, как dxs (dxs = dD – 8*d18O), несущего в себе информацию об изменении температуры в источнике влаги, которая, в свою очередь, также влияет на изотопный состав осадков в центральной Антарктиде.
Для интерпретации изотопных данных была разработана усовершенствованная версия модели изотопного состава осадков, включающая геохимический цикл кислорода 17, а также возможность решения обратной задачи. По данным об изотопном составе водяного пара атмосферы над океанами Южного полушария, а также об изотопном составе снежной толщи по меридиональным профилям Земли Принцессы Елизаветы в Восточной Антарктиды, модель была настроена для расчета изотопного состава осадков на станции Восток.
Огромный массив накопленной в ходе выполнения проекта информации об изотопном составе снежно-фирновой толщи в районе станции Восток, включающий данные по 23 отдельным шурфам и фирновым кернам и охватывающий период со 192 года до н.э. по 2018 год н.э., позволил реконструировать климатическую изменчивость центральной Антарктиды за последние 2200 лет. Показано, что ход температуры в целом совпадает с глобальной климатической кривой: после «Тёплого римского периода» в начале нашей эры имело место плавное похолодание вплоть до начала 19 века («малой ледниковой эпохи»), сменившееся современным потеплением. В отличие от глобальной температуры, температура воздуха в центральной Антарктиде в начале 21 века пока не превысила максимальные значения, наблюдавшиеся в «Римский период». Несколько иной результат был получен для скорости снегонакопления: в целом этот параметр (как и следовало ожидать) коррелирует с температурой воздуха, но при этом современная средняя за последние 50 лет скорость аккумуляции на ст. Восток (22,5 мм в.э./год) является беспрецедентной за последние 2200 лет. Более того, чувствительность скорости снегонакопления к температуре воздуха (11-16 %/°С) оказалась заметно выше, чем предсказывается большинством климатических моделей. Этот результат может потребовать корректировки прогноза повышения уровня моря в 21 веке, поскольку рост снегонакопления в центральной Антарктиде будет частично компенсировать потерю массы на краях ледника. Реконструирована температура в источнике влаги за последние 2200 лет, которая показала ту же характерную форму «хоккейной клюшки», что и глобальная температурная кривая: плавное снижение от 1 до 1800 г. н.э. и резкий рост за последние 200 лет. По данным о химическом составе фирновых кернов сделано предположение о том, что площадь морского льда вокруг Антарктиды существенно не менялась в доиндустриальную эпоху.
Результаты будут востребованы специалистами, изучающими палеоклимат по данным фирновых и ледяных кернов полярных районов, а также климатологами и гляциологами, прогнозирующими изменение баланса массы Антарктического ледяного щита в 21 веке и связанные с ним изменения уровня Мирового океана.
Результаты работы опубликованы в нескольких научных статьях:
1. Veres A.N., Ekaykin A.A., Golobokova L.P., Khodzher T.V., Khuriganowa O.I., Turkeev A.V. A record of volcanic eruptions over the past 2,200 years from Vostok firn cores, central East Antarctica Frontiers in Earth Science 11:1075739, https://doi.org/10.3389/feart.2023.1075739 (2023 г.)
2. Ekaykin A.A, Lipenkov V.Ya, Tebenkova N.A. Fifty years of instrumental surface mass balance observations at Vostok Station, central Antarctica Journal of Glaciology, https://doi.org/10.1017/jog.2023.53 (2023 г.)
3. Екайкин А.А., Чихачев К.Б., Верес А.Н., Липенков В.Я., Тебенькова Н.А., Туркеев А.В. Профиль плотности снежно-фирновой толщи в районе станции Восток, Центральная Антарктида Лед и снег вып. 4, с.504-511, https://doi.org/10.31857/S2076673422040147 (2022 г.)
4. Екайкин А.А. Усовершенствованная модель формирования изотопного состава осадков в Центральной Антарктиде, включающая геохимический цикл кислорода 17 Лед и Снег, вып. 1, в печати (2024 г.)
5. Екайкин А.А., Верес А.Н. Изменение температуры в Центральной Антарктиде после крупных вулканических извержений во втором тысячелетии нашей эры Проблемы Арктики и Антарктики 69(3):374–385, https://doi.org/10.30758/0555-2648-2023-69-3-374-385 (2023 г.) 6. Тебенькова Н.А., Екайкин А.А., Лэппле Т., Нотц Д., Козачек А.В., Верес А.Н. Связь изотопного состава разных типов осадков в Центральной Антарктиде с температурой воздуха Проблемы Арктики и Антарктики т.67, № 4, с.368-381, https://doi.org/10.30758/0555-2648-2021-67-4-368-381 (2021 г.)