Как далеко поднимался уровень моря? Это не простая прогулка по пляжу
Определение того, насколько высоко поднимался уровень моря в прошлые теплые периоды истории Земли, начинается с прогулки по пляжу, поиска свидетельств древних береговых линий и использования высокоточных GPS-систем. Однако расчеты не так просты, как вычитание расстояния от старой береговой линии до кромки воды. По мере отступления массивных ледниковых щитов в прошлые ледниковые периоды, давление их веса на земную поверхность ослабевало, и происходил изостатический подъем суши. На более длительных временных масштабах циркуляция в мантии Земли также изменяла форму и высоту земной коры.
Морской геолог из обсерватории Ламонт-Доэрти (Lamont-Doherty Earth Observatory) Морин Раймо находится на переднем крае изучения этих сил и попыток их учета. Ее цель — в сотрудничестве с Полярной геофизической группой Робина Белл (Robin Bell) в рамках их совместной инициативы «Меняющийся лед, меняющиеся береговые линии» — ответить на два ключевых вопроса: насколько высоко поднимется уровень моря при нынешнем потеплении планеты и как быстро?
Ответы требуют знаний о том, как ледниковые щиты меняются сейчас и как поднимался уровень моря в далеком прошлом, когда глобальные температуры были выше, чем сегодня. Пока команда Белла фокусируется на ледниках, Раймо, ее коллеги и аспиранты картируют древние береговые линии и собирают образцы по всему миру — от австралийского мыса Кейп-Рейндж до скалистого побережья Аргентины.
От пляжей до чистых лабораторий
Ученые могут обнаруживать изменения в ископаемых структурах вдоль береговой линии с помощью дронов и самолетов, оснащенных лидарами. Но чтобы определить возраст древних реликтовых рифов, им приходится идти пешком с геологическими молотками и GPS.
В Западной Австралии аспирант Ламонт Майкл Сандстром (Michael Sandstrom) с коллегами из Колумбийского университета и Университета Западной Австралии провел этим летом недели, исследуя побережье с тяжелыми рюкзаками, документируя высоту и расположение старых береговых линий и откалывая образцы для лабораторного анализа.
«В современной пляжной среде есть много индикаторов текущего уровня моря — приливные ниши, субприливная слоистость, сочлененные двустворчатые моллюски (нераскрывшиеся раковины могут быть индикаторами приливно-отливной зоны). Как только мы понимаем, как выглядит современная среда, мы идем вглубь суши в поисках тех же ассоциаций и индикаторов и можем сказать, что когда формировалась эта древняя береговая линия, уровень моря был в этой точке», — пояснил Сандстром.
Вернувшись в Ламонт, где находится одна из самых передовых чистых лабораторий в геохимии, Сандстром использует масс-спектрометр с термоионизацией для уточнения возраста образцов древних береговых линий. Один из тестов разделяет изотопы стронций-86 и стронций-87. Их относительное содержание в морской воде менялось на протяжении миллионов лет, создавая своего рода временную метку, которую ученые могут использовать для определения времени жизни раковин. Сандстром также применяет космогенные методы датирования с бериллием-10, чтобы определить, как долго древние рифы находились выше уровня воды, где они подвергались воздействию космических лучей. Этот тест дает минимальный возраст для проверки результатов стронциевого анализа. С более молодыми кораллами можно использовать уран-ториевое датирование, сравнивая уровни урана-234 и тория-230, чтобы определить, как долго распадался уран-234.
Данные GPS в сочетании с датировками позволяют ученым отслеживать подъем и опускание древних береговых линий и рассчитывать влияние других сил.
«Все эти береговые линии изначально откладывались практически горизонтально. Любая локальная деформация — это указание на тектонику или динамическую топографию», — отметил Сандстром. — «Если мы сможем получить очень точные датировки, мы сможем определить относительные скорости поднятия и приблизительно рассчитать, на какой высоте находился локальный уровень моря. Затем мы можем начать изучать другие климатические записи и выяснять, как уровень моря связан с такими вещами, как концентрация CO₂ в атмосфере, каким был климат, что происходило с океаническими течениями».
Изостатический подъем и движение мантии
Раймо, профессор-исследователь имени Брюса К. Хизена (Bruce C. Heezen Lamont Research Professor) в Ламонте, была привлечена к исследованиям уровня моря парадоксом. Ископаемые свидетельства из теплого периода среднего плиоцена, около 3 миллионов лет назад, указывают, что температуры были на 1–2 °C выше, чем сегодня. Однако оценки уровня моря того времени сильно различались — от 10 до примерно 40 метров выше современного уровня, что подразумевает очень разную реакцию полярных ледниковых щитов на небольшое потепление. Почему разные исследования приходили к таким разным выводам о высоте прошлого уровня моря?
«Оказалось, ответ был двояким: никто не корректировал свои полевые наблюдения на изостазию, или деформацию коры в ответ на добавление или удаление льда и океанической воды — мы выяснили, как это сделать; и никто не осознавал действительно сильного влияния динамической топографии, которая также деформировала древние береговые линии», — сказала Раймо.
Работая несколько лет назад вдоль восточного побережья США, Раймо и Алессио Ровере (Alessio Rovere), в то время постдокторант в Ламонте, заметили, что расчеты уровня моря в среднем плиоцене 3 миллиона лет назад все еще слишком разнятся, даже с учетом изостазии. Тогда они поняли, что динамическая топография — закономерности поднятия и опускания коры, вызванные движением в мантии Земли в масштабах сотен тысяч лет — играет важную роль.
Команда Раймо сейчас работает над выделением влияния динамической топографии на древние береговые линии по всему миру.
Сегодня глобальный уровень моря поднимается примерно на 3 миллиметра в год из-за расширения океанов и таяния ледников в результате повышения температур. В конце последнего ледникового периода, около 15 000 лет назад, он рос гораздо быстрее, достигая примерно 40 мм в год. Понимание того, что происходило тогда и в другие прошлые периоды, позволяет ученым давать более точные оценки будущих рисков.