Метеорологические и геофизические исследования

Васильева Д.А., Священников П.Н. Межгодовая изменчивость облачности и длинноволновой атмосферной радиации в Центральном Арктическом Бассейне // Вестник СПбГУ. 2003. Сер. Географии и геологии. Вып.4. № 31. С. 143–148.

Иванов Б.В., Журавский Д.М. Ледовые условия в заливе Грен-фьорд (арх. Шпицберген) в 1975–2009 гг. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2010. № 2(85). С. 27–31.

Павлов А.К., Иванов Б.В., Журавский Д.М., Тверберг В. Потепление в заливах Западного Шпицбергена: кратковременное явление или устойчивая тенденция? // Проблемы Арктики и Антарктики. 2010. № 3(86). С.78–84.

Священников П.Н., Александров Е.И., Теребенько А.В. Климатический режим и его возможные изменения в районе Шпицбергена и Баренцевом море // Труды IV Международной конференции «Комплексные исследования природы Шпицбергена» / Под ред. акад. Матишова Г.Г. Изд. КНЦ РАН, г. Апатиты, 2004. Вып. 4. С. 287–293.

Священников П.Н., Иванов Б.В. Бочаров П.Н. Влияние характеристик облачности на радиационный режим о. Западный Шпицберген // Материалы Международной научной конференции – «Природа шельфа и архипелагов Восточной Арктики. Комплексные исследования природы Шпицбергена» / Под ред. акад. Матишова Г.Г. ГЕОС. 2010. С. 474–480.

Семенов А.В., Анциферова А.Р., Давыдов А.А. Климат Баренцбурга. Изменения основных характеристик за последние 40 лет (по данным наблюдений ЗГМО «Баренцбург») // Материалы Международной конференции – «Комплексные исследования природы Шпицбергена» / Под ред. акад. Матишова Г.Г. Изд. КНЦ РАН, г. Апатиты, 2002. С. 243–249.

Код для оперативной передачи данных приземных гидрометеорологических наблюдений с сети станций Госкомгидромета СССР, расположенных на суше (включая береговые станции), национальный вариант международного кода FM-12-IX SYNOP. Л., Гидрометеоиздат, 1989. 64 с.

Curry J.A., Elbert E.E. Annual cycle of radiation fluxes over the Arctic Ocean: sensitivity to cloud optical properties // J. of Climate. 1992. Vol. 5 (N 11). P. 1267–1280.

K?nig – Langlo G., Augstein E. Parameterization of the downward long-wave radiation at the Earth’s surface in polar regions // J. Meteorol. 1994. № 3. P. 343–347.

Makshtas A.P., Andreas E.L., Svyashchennikov P.N., Timachev V.F. Accounting for clouds in sea ice models // J. Atmosph. Res. 1999. Vol. 52. P. 77–113.

Maykut G., Untersteiner N. Some results from a time dependent thermodynamic model of sea ice // J. Geophys. Res. 1971. Vol. 76. P. 1550–1575.

Nordli P., Kohler J. The early 20-th century warming. Daily observations at Green Harbour, Gr?nfjorden, Spitsbergen. Met.no Report, 12/03 KLIMA. 2004. 20 p.

Pirazzini R., Nardino M., Orsini A., Georgiadis T., Levizzani V. Parameterization of the downward long-wave radiation from clear and cloud sky at Ny-Alesund (Svalbard). IRS’2000. St.-Petersburg. Russia. 5 p.

P.N. Svyashchennikov[24 - Saint-Petersburg State University, Russia],[25 - Arctic and Antarctic Research Institute, Saint-Petersburg, Russia], B.V. Ivanov[26 - Saint-Petersburg State University, Russia],[27 - Arctic and Antarctic Research Institute, Saint-Petersburg, Russia], P.V. Bocharov[28 - Saint-Petersburg State University, Russia],[29 - Arctic and Antarctic Research Institute, Saint-Petersburg, Russia], D.M. Juravski[30 - Saint-Petersburg State University, Russia], V.F. Timachev[31 - Saint-Petersburg State University, Russia], A.V. Semenov[32 - Murmansk Hydrometeorological Service, Russia], T.A. Soldatova[33 - Murmansk Hydrometeorological Service, Russia], A.R. Antsiferova[34 - Murmansk Hydrometeorological Service, Russia]. Investigations of radiation climatic factors and meteorological regime of Spitsbergen archipelago

Data of total cloud cover (since 1966) and global short-wave radiation (since 1985) in Barentsburg are reviewed in the article. There are shown changes and interaction of these parameters. There was also calculated long-wave radiation flux in this region (since 1966), which is compared with the changes of cloud characteristics. The changes of cloud characteristics are supposed to be a reason of warming on the region.

Д.Ю. Большиянов, А.С. Макаров, Г.Б. Фёдоров, П.С. Вахрамеева

Проблемы изучения палеоклимата Арктики

(Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия)

Аннотация

В статье рассматриваются результаты палеоклиматических исследований, проводимых в ААНИИ в течение последних 10 лет и активизированные в результате выполнения проектов Международного полярного года. Получены новые данные и выдвинуты новые идеи о развитии оледенений, о происхождении ледового комплекса пород, о колебаниях уровня моря, о ходе потеплений и похолоданий в Арктике в масштабе сотен и тысяч лет.

Введение

За десятилетний период, прошедший со времени обобщения результатов палеогеографических исследований, ведущихся в ААНИИ (Большиянов, 2000), это направление успешно развивалось, благодаря глубоким международным российско-германским исследованиям по проекту «Система моря Лаптевых», а также выполнению собственных междисциплинарных исследований в различных районах Арктики (Шпицберген, Новая Земля, Чукотка) по темам ААНИИ. Успешно проведённые экспедиции на побережье и острова моря Лаптевых в рамках проекта Международного полярного года (МПГ) «Система моря Лаптевых», анализ материалов по другим островным архипелагам и крупнейшему проекту МПГ «Бурение озера Эльгыгытгын» принесли много нового для понимания развития в прошлом не только климата, но и других компонентов природной среды. Задача данной статьи показать основные результаты палеогеографических исследований по следующим проблемам: пассивное оледенение, формирование ледового комплекса пород в море Лаптевых, палеоклимат последнего тысячелетия, колебания уровня моря и этапы формирования дельты р. Лена.

Пассивное оледенение

В 2006 г. в ААНИИ вышла книга «Пассивное оледенение Арктики и Антарктиды» (Большиянов, 2006) (выложена в свободном доступе на сайте www.paleoarctic.narod.ru (http://www.paleoarctic.narod.ru/)). В ней (после глубокого забвения сформированного к середине XX столетия представления о значительной роли маломощных ледников и снежников в формировании рельефа Арктики) на значительном фактическом материале показано, что слабоактивные пассивные ледники не только были широко распространены в прошлом, но что они, являясь продуктом климата, имеют место и в настоящее время, как в Арктике, так и в Антарктиде.

Пассивные ледники полярных регионов Земли представляют собой скопления снега, фирна и льда, возникающие и деградирующие в течение десятков – сотен лет в результате колебаний высотного положения снеговой линии. Они практически лишены движения и возможности механического влияния на подстилающий рельеф, но значительно изменяют перигляциальные ландшафты в результате стока и эрозии талых ледниковых вод, изоляции верхних горизонтов многолетнемёрзлых пород от выхолаживания и вытаивания погребённого льда (Большиянов, 2006).

Пассивные ледники наиболее быстро откликнулись на потепление в связи с окончанием Малого ледникового периода и в XX веке внесли наибольший вклад в площадное сокращение покровного оледенения Арктики. Один из важных климатических выводов, следующих из возродившегося представления о пассивных ледниках, состоит в том, что высота снеговой линии в полярных регионах Земли меняется очень быстро во времени и в пространстве. Изменение высоты границ зон питания полярных ледников происходит при жизни одного – двух поколений наблюдателей.

В северо-западной части дельты р. Лена есть остров Арга-Муора-Сисе, размером около 75 км в поперечнике, который ещё в середине XX века сохранял остатки деградировавших пассивных ледников. Они были нанесены на геологическую карту. Высота этого острова над уровнем моря всего 20–30 м, а снегонакопление на нём значительно больше и в настоящее время по сравнению с остальными пространствами дельты, где снега накапливается меньше и тает он быстрее.

Шельфовый ледник Шеклтона в Восточной Антарктиде, имеющий размер 120

150 км севернее ледникового купола Масон, накопился в течение Малого ледникового периода всего за 300–400 лет в результате аккумуляции снега на уровне моря. Эти примеры свидетельствуют о быстром образовании ледниковых тел в самых разнообразных природных условиях в результате быстрого снижения снеговой линии, а значит, о быстрых климатических флуктуациях в полярных регионах Земли.

Доказательства существования и геологической работы пассивных ледников в прошлом (эрозия подстилающего субстрата талыми ледниковыми водами) ставят под сомнение необходимость привлечения крупных ледниковых покровов типа антарктического или гренладского, которые распространены ледниковой теорией на большую часть Северной полярной области Земли, для объяснения всех особенностей рельефа Арктики. На значительном геоморфологическом и геологическом фактическом материале удалось показать, что ледниковые щиты не имели места ни в Баренцевом и Карском морях, ни на островных архипелагах: Северная Земля, Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Новая Земля. Эти островные архипелаги, как и полуостров Таймыр, были центрами оледенений, но не перекрывались ледниковыми щитами. Такая точка зрения резко противоречит принятой у нас в стране, в Западной Европе и в Северной Америке ледниковой теории, согласно которой часть шельфа (например, вся акватория Баренцева моря и большая часть акватории Карского моря) была занята ледниковыми покровами, подобными антарктическому ледниковому щиту.

В последние годы удалось получить и систематизировать новые данные по радиоуглеродному датированию береговых линий островных архипелагов Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Новая Земля (Большиянов, 2006; Большиянов и др., 2006; Большиянов и др., 2009а; Шарин и др., 2007). Эти данные не подтверждают куполообразного гляциоизостатического поднятия суши с предположением о существовании 17–18 тысяч лет назад крупных ледниковых покровов, занимавших Баренцево и Карское моря. В районах этих островов действуют блоковые разнонаправленные тектонические движения земной коры, не имеющие гляциоизостатической природы (Большиянов и др., 2009а).

Под натиском новых фактов ледниковая теория вынуждена отодвигать время существования ледниковых щитов в более ранние периоды позднего неоплестоцена, но исходные её позиции остаются прежними – в Арктике имели место только крупные ледниковые щиты, которые и определяли развитие природной среды. Если есть признанные данные о том, что в последнем ледниковом максимуме (17–18 тыс. л.н.) ледниковых щитов на какой-то территории не было, например, на севере Западной Сибири, то это означает с точки зрения ледниковой теории, что вообще никаких ледников там в это время не было. Эта позиция также неверна, т. к. ледники на этой конкретной территории были до и после последнего ледникового максимума, и даже в течение Малого ледникового периода, закончившегося там всего 100 лет назад (Большиянов и др., 2007). Это были обширные, но маломощные ледниковые покровы, на большей своей площади не способные к растеканию.

Колонки отложений, полученные в результате бурения озера Эльгыгытгын, находятся в первичной стадии изучения. Однако имеющиеся описания отложений во время бурения позволяют сделать предположение, что и в котловину озера спускались ледники на различных стадиях её развития в течение последних 3,5 миллионов лет.

Представления о пассивном оледенении Арктики имеют значительно меньше противоречий по сравнению с гипотезой крупных растекающихся по Северной полярной области Земли покровных ледников. Многие проблемы расселения растений, животных и человека в Арктике теперь могут получить вполне адекватное объяснение, которое исключается при господствующих представлениях о гигантских ледниковых щитах прошлого.

В любом случае новые представления о пассивных ледниках побуждают исследователей организовывать новые экспедиции и проекты для выяснения столь важного для палеоклиматологии вопроса о месте и роли ледников в развитии полярных регионов планеты.

Формирование ледового комплекса пород в море Лаптевых

Ледовый комплекс пород (ЛК) – это накопленные в течение периода с 60-ти до 15 тысяч лет назад алеврито-песчаные отложения с большим количеством органических остатков и льдов повторно-жильного происхождения. Количество льда в ЛК может достигать 80–90 % от объёма породы. Грандиозные разрезы ЛК приурочены к побережьям морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. ЛК в последнее время привлёк внимание научной общественности по нескольким причинам. Во-первых, разрушение берегов, сложенных ЛК, идёт быстрыми темпами, в результате чего Россия ежегодно теряет до 10 км

суши (Григорьев, 2008). Во-вторых, при разрушении ЛК в воду рек и морей поступает значительное количество углерода, содержание которого в воздухе в виде углекислого газа считается значимым для формирования климата. В-третьих, само происхождение ЛК до сих пор не получило достаточного объяснения. Разрешение этой проблемы означает получение новых инструментов проникновения в понимание гидрометеорологических процессов. Ведь все ныне развитые гипотезы формирования ЛК связаны с гидрометеорологическими явлениями. Эоловая гипотеза – отложение осадков из сильно запылённой атмосферы во время холодных эпох плейстоцена. Аллювиальная гипотеза – отложение и промерзание речных отложений на громадных пространствах в низовьях рек Восточной Сибири. Гипотеза экстранивитов – разрушение пород в результате нивации, переотложение и промерзание продуктов разрушения. Четвёртая гипотеза в научных кругах считается наиболее слабой и мало кто из учёных считает её достойной внимания. Это гипотеза формирования ЛК в результате накопления и промерзания осадков в бассейне, сначала морском, затем пресноводном.

Наши исследования, проведённые на побережье моря Лаптевых, с очевидностью показывают, что формировние ЛК невозможно без влияния морского фактора (Большиянов и др., 2008; Макаров и др., 2008). Наиболее значимые данные для обоснования этой гипотезы получены в результате бурения 5 мелких скважин (до 77 м глубиной) на берегу и на акватории юго-западной части моря от мыса Мамонтов Клык в ходе российско-германской экспедиции «Южный берег моря Лаптевых-2005». Изучение строения отложений, их датирование, анализ микрофоссилий и солевого состава осадков подстилающих ЛК и осадков самого ЛК показали их неразрывную связь во времени и лишь изменение обстановок осадконакопления от типично морской до пресноводной.

Геоморфологические исследования на побережьях и в долинах рек, впадающих в море Лаптевых, показали ингрессионный характер залегания пород ледового комплекса. Например, в долине р. Кэлимээр (приток р. Оленёк) отложения ЛК при движении сверху вниз по реке начинают встречаться на высоте около 50 м над у.м. и вниз по течению увеличивают высоту относительно днища долины, что как раз и свидетельствует о том, что ЛК формировался по долинам в результате их подтопления морем. На рис. 1 представлена геоморфологическая схема и продольный профиль долины р. Кэлимээр, где выделены отложения ЛК. На побережьях моря Лаптевых ЛК также распространён на высотах до 50 м, что и является геоморфологическим доказательством формирования отложений в бассейне.

Рис. 1. Геоморфологическая схема долины р. Кэлимээр

Наибольшей критике в этой точке зрения подвергается само положение о формировании ЛК именно в морских условиях. Считается, что никаких признаков моря в осадках нет. Это типичные субаэральные отложения. По нашим данным таких признаков достаточно много, особенно в песках, подстилающих ледовый ЛК. Там обнаружены и морские двустворчатые моллюски, и морские диатомовые водоросли, осадки часто имеют хлоридно-натриевое засоление. В исследованиях же предшественников (Жуков и др., 1968) на побережье между реками Оленёк и Анабар, отмечается большое количество раковин морских моллюсков и раковин типичных обитателей морских бассейнов – фораминифер, как в подстилающих отложениях, так и в самих осадках ЛК. Трудность понимания предлагаемой гипотезы ещё и в том, что, действительно, морской бассейн перестал быть морским по солёности воды и, соответственно, его обитателям около 60 тысяч лет назад, когда вода стала более или совсем пресной. Но связи с морем этот бассейн не потерял. В нём действовали приливо-отливные, сгонно-нагонные процессы и вековые колебания уровня моря. Это был отгороженный многими островами и массивами островов бассейн, получавший огромное количество пресной воды из впадавших рек: Лена, Оленёк, Анабар, Хатанга и др. В нём накапливались алеврито-песчаные отложения, большое количество органического материала (растительности и остатков фауны). Главная же характерная черта этого бассейна – его мелководность, что в сочетании с обозначенными выше причинами колебаний уровня моря, приводило к периодическим его осушениям на громадных пространствах благодаря ничтожному уклону дна моря. Осушение вызывало глубокое ежегодное промерзание под ледовым покровом и без него. А это означало широчайшее развитие жильного льдообразования, чем и характерен ЛК (Большиянов и др., 2008).

Существование в прошлом огромных островных пространств в море Лаптевых доказывается геологическим строением поверхности дна моря Лаптевых, гидрографическими данными о мелях на акватории моря, современными темпами отступания берегов и исчезновения островов в море даже на памяти исследователей. Эдуард Толль, мечтавший достичь «Земли Санникова», которую видел к северу от острова Котельного в 1886 г, прошёл и коснулся её днищем яхты «Заря» в 1902 г., но не смог её увидеть, т. к. она погрузилась под уровень моря, как и тысячи квадратных километров других островов. На рис. 2 даны представления об этой суше по геологическим и геоморфологическим данным (Большиянов и др., 2008). Таким образом, наши представления об этом интереснейшем явлении заключаются в том, что ЛК в море Лаптевых возник из морских пучин в позднем неоплейстоцене, морскими же факторами и уничтожается в настоящее время.

Рис. 2. Палеосхема моря Лаптевых с существовавшими в позднем неоплейстоцене островными массивами

Палеоклимат последнего тысячелетия

Исследования в этом направлении призваны увеличить короткий ряд инструментальных метеонаблюдений, который для большинства станций в Арктике не превышает 70 лет. Обычно палеоклиматические построения выполняются и выполнялись в масштабах десятков и сотен тысяч лет или для голоцена (последнего десятитысячелетия). Начавшееся в ААНИИ в середине прошлого столетия изучение озёрных отложений именно в палеоклиматических целях оформило палеоклиматическое направление, развитие которого на современном этапе привело к формированию базы данных по палеоклимату Российской Арктики и Антарктиды на основании изучения отложений арктических озёр. Изучение коротких колонок донных озёрных отложений позволило удлинить палеоклиматические ряды до 1000 лет (Большиянов и др., 2009б). Для изучения озёрных отложений в палеоклиматическом аспекте требуется использование множества методов исследований – от отбора отложений до их глубокого многофакторного анализа. Длина колонок зависит от возможностей пробоотбора. В нашей стране используется старое советское оборудование, которое не позволяет проникать в осадки глубже 1–1,5 м, да и качество отбора также страдает рядом недостатков. Участие в международных проектах позволило использовать новые средства отбора и новейшие методики анализа осадков, что резко улучшило результат – палеоклиматические реконструкции. В настоящее время в базе данных собраны данные о 25 озёрах и результаты анализов их отложений, что позволяет проводить палеоклиматические реконструкции уже на территории почти всей российской Арктики. На рис. 3 представлены результаты реконструкции времени Малого ледникового периода – значительного похолодания климата на Земле. Временная модель реконструкций построена на варвохронологии – подсчёте годовых слоёв озёрных осадков, и на расчёте скоростей осадконакопления по результатам специально проведённых гидрологических исследований в бассейнах изученных озёр. Т. е. эта шкала календарных лет, что отличает её от большинства других подобных временных шкал, основанных на радиоуглеродном датировании. Последнее часто даёт значительные ошибки на временном интервале до 1000 лет.